curso de lixiviación: teoría y práctica

Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 1

CURSO DE LIXIVIACION

TEORIA Y PRCTICA

PREPARADO POR: SANTIAGO HONORES MEZA


ai Actividad de la especie i

A rea

C Concentracin

d Dimetro

Ea Potencial de andico

Ec Potencial de catdico

E Potencial

Eo Potencial estndar

Eg Energa potencial gravitacional

Eh Potencial con respecto al electrodo estandard de hidrgeno

Eho Potencial estandarad con respecto al electrodo estandard de hidrgeno

Ep Energa potencial de presion

ET Energa potencial total

Far Constante de Faraday

F fuerza

G Energa libre

g Gravedad

h Altura

H Carga hidrulica total

Hg Carga gravitacional

Hp Carga por presin

I Fuerza inica

i Corriente o densidad de corriente (segn el caso)

i(-) Corriente catdica

i(+) Corriente andica

io(-) Corriente catdica en potencial de reposo

io(+) Corriente andica en potencial de reposo

kg Constante de acuerdo a la ecuacin (2.34)

ki Constante de acuerdo a la ecuacin (2.33)

kI Permeabilidd intrnseca

K Constante de equilibrio de una reaccin

Kso Constante de soluilidad

KS Conductividad hidrulica o permeabilidad, en un medio saturado

KNS Conductividad hidrulica o permeabilidad, en un medio no saturado

l longitud

L Longitud en la ecuacin de Darcy

n Nmero de electrones

pH

P Presin manomtrica

Pab Presin absoluta

Patm Presin atmosfrica

PG Presin en la fase gaseosa

Ph Presin a una profundidad determinada en un estanuque

PL Presin en la fase lquida

Po Presin absoluta referencial

Pp Presin parcial

Q Caudal

r Radio

R Constante de los gases ideales

Re Nmero de Reynolds

s Grado de saturacin

sef Saturacin efectiva

S Solubilidad del O2

Sh Solubilidad mxima a una altura determinada en un estanque

SI Solubilidad del O2 a una fuerza inica determinada

So Solubilidad del O2 en agua pura

Sp Solubilidad de un gas a una presin parcial

ST Solubilidad del O2 a una temperatura T


t tiempo

T Temperatura

vD Velocidad de Darcy

vr vlocidad real en medio poroso

Vg Volumen ocupado por la fase gaseosa

Vh Volumen de los huecos en un medio

VL Volumen ocupado por la fase lquida

Vs Volumen ocupado por la fase slida

VT Volumen total de un medio

W Trabajo efectuado

z distancia vertical hasta el punto de referencia

zi carga del electrn, ecuacin (4.92)

T Porosidad total

Tortuosidad

humedad

s humedad en saturacin

r humedad residual o de impregnacin

pendiente de una recta

Tensin superficial

L Tensin superficial de un lquido (tambin LG)

SG Tensin interfacial slido-gas

LG Tensin interfacial lquido-gas

L Viscosidad de un fluido

e Resistencia elctrica

i Potencial qumico de la especie i

oi Potencial qumico estndar de la especie i

R Potencial qumico de una reaccin

Potencial total

g Potencial gravitacional

p Potencial matrical

Densidad

L Densidad del lquido

P Densidad de pulpa

ngulo en la ecuacin de Young

i Coeficiente estequiomtrico de la especie i


I. INTRODUCCION

La hidrometalurgia es un rea de la metalurgia, que comprende todos los tipos de operaciones unitarias que se

realizan en medio acuoso para la extraccin y recuperacin de componentes valiosos, entendindose por operacin

unitaria, todo proceso en el cual ocurren reacciones, cambios o transformaciones qumicas.

Los procesos hidrometalrgicos son relativamente nuevos en comparacin a los procesos pirometalrgicos. El

aumento en el uso de procesos hidrometalrgicos, se debe principalmente, al aumento de yacimientos que son inapropiados

econmicamente para ser tratados por va pirometalurgia y tambin a razones ambientales; esto debido a que en los

procesos pirometalrgicos, normalmente los efluentes son gases contaminantes, los cuales una vez que entran en contacto

con el medio ambiente, son prcticamente imposibles de recuperarlos; en cambio los efluentes de procesos

hidrometalrgicos, son normalmente lquidos, los cuales pueden ser ms fciles de tratarlos antes desecharlos.

En cuanto a los minerales sulfurados, hasta la actualidad su procesamiento va pirometalurgia, no se ha podido

controlar totalmente las emisiones de SO2 al medio ambiente, esto no ocurre va hidrometalurgia, donde el azufre

mayormente es descartado al estado elemental, por lo que en la actualidad, se est dando mucha relevancia el tratamento

de estos minerales va hidrometalurgia.

Se debe indicar, que la mayor ventaja de la pirometalurgia frente a la hidrometalurgia, es que en la primera la cintica de

las reacciones involucradas es mucho mayor.

1.1 Proceso hidrometalrgico

Una vez que la mena ha sido preparada por reduccin de tamao y posiblemente se le haya sometido a un proceso

de beneficio de minerales, esta puede ser tratada va hidrometalurgia, la cual normalmente comprende tres etapas, las que

se enumeran a continuacin:

1.1.1 Lixiviacin. Esta etapa tiene como objetivo, disolver lo ms selectivo posible la especie valiosa, debiendo usarse

condiciones en las cuales el material inerte no sea lixiviable, aunque esto en la prctica es casi imposible de alcanzar en

forma efectiva.

1.1.2 Concentracin y/o purificacin de soluciones.- Esta etapa tiene por objetivo, la separacin de la(s) especie(s)

valiosa(s) de las impurezas, el que se realiza mediante uno o varios procesos, los cuales pueden ser:

Adsorcin (carbn activado)

Precipitacin

Flotacin de iones

Flotacin de precipitados

Extraccin por solventes

Intercambio inico

La aplicacin de cualquiera de estos procesos, depende principalmente de las impurezas a ser removidas y de los

componentes a ser recuperados.

1.1.3 Recuperacin de la especie valiosa.- Esta es la etapa final del proceso hidrometalrgico, aqu el componente

valioso, es convertido en un producto comerciable con especificaciones de calidad asociados. Los mtodos ms comunes

empleados, son los siguientes:

Electrlisis

Precipitacin

Reduccin gaseosa

Cementacin

Cristalizacin

La figura 1.1, muestra un diagrama general de la va hidrometalrgica para la recuperacin de una especie valiosa

desde su mena.

La figura 1.2, muestra un diagrama para el caso especifico de recuperacin de cobre desde una mena de cobre

oxido.


Reactantes CONCENTRACION y/o PURIFICACION DE

LICOR DE LIXIVIACION

LICOR

PURIFICADO

Sub-productos

RECUPERACION DE

ESPECIE VALIOSA

Regeneracin de

reactivos lixiviantes y

reciclado de solucin

ESPECIE VALIOSA

MINERAL

LIXIVIACION Residuo Reactantes

Licor de

lixiviacin

REDUCCION

DE TAMAO

Reactantes

Fig. 1.1 Diagrama de flujo general, va hidrometalurgia.


MENA DE COBRE

LIXIVIACION EN

PILASRipio

Licor de

lixiviacin

REDUCCION

DE TAMAO

EXTRACCION

POR SOLVENTES

Fase acuosa

(refino)

REEXTRACCION

(stripping)

Orgnico cargado

con cobre

Orgnico

descargado

ELECTRO-

OBTENCION

Electrolito rico

en cobre (avance)Electrolito pobre

(spent)

CATODOS

DE COBRE

Fig. 1.2 Diagrama de flujo para la recuperacin de cobre (xido), va hidrometalurgia.

1.2 ????


II. ANTECEDENTES GENERALES

2.1 Lixiviacin.

La lixiviacin es la disolucin de uno o varios constituyentes de un slido en un solvente, el cual normalmente es el

agua. Casi siempre la lixiviacin necesita la presencia de ciertos reactivos para que la disolucin proceda, adems, a veces

es necesario un aumento de la temperatura y presin. Una vez alcanzado la lixiviacin, el(los) elemento(s) de inters se

encuentra en el solvente como iones metlicos o complejos.

En este capitulo se tratarn diversos temas, los que tienen incidencia en las diferentes en el ambito de la

lixiviacin.

2.2 Reactivos de lixiviacin

Normalmente un material no es soluble en agua pura, por lo tanto, siempre es apropiado realizar un estudio

termodinmico, para analizar cuales son las condiciones ms favorables para la disolucin selectiva de los compuestos de

inters. Termodinmicamente son tres los factores principales que se deben analizar para determinar la lixiviacin de un

determinado compuesto, los cuales son: el pH, el potencial redox de la solucin y la formacin o no de complejos que no

sean debido a hidrlisis, entendindose por hidrlisis, los complejos formados por cambios de pH. Existen tambin otras

variables influyentes, como son: la concentracin de reactivos y la temperatura. En la tabla 2.1 se muestran los reactivos

ms comunes que se usan para fijar los tres factores que se nombraron.

Tabla 2.1.- Reactivos de lixiviacin

Reactivos para fijar el pH

cidos

H2SO4

HCl

HNO3

bases

CaO

NaOH

NH4OH

Reactivos para fijar el potencial

agentes oxidantes

O2

sales frricas

H2O2

Permanganato

agentes reductores

H2

CO

SO2

Reactivos acomplejantes

sales de cloruro

NH3

sales de cianuro

sales de carbonato

En cuanto a los agentes oxidantes o reductores, estos actan segn el pH de la solucin, como es el caso del Fe3+,

el que es inestable para pH>2, debido a que precipita como hidrxido. En el caso de los agentes acomplejantes, estos no

forman complejos con todos los elementos, as por ejemplo, el amoniaco forma complejos con el cobre, pero no con el

hierro, adems, los acomplejantes actan en determinados rangos de pH y otros actan en todo el rango de pH.

2.3 El potencial como parmetro en lixiviacin

En un medio acuoso, donde se tenga reacciones que necesiten de intercambio de electrones, existirn reacciones

(semireacciones) que ganan electrones y otras que los pierden. Los semireacciones que ganan electrones, se llaman de

reduccin o tambin catdica, y las que pierden electrones, de oxidacin o andica, representndose en general por las

siguientes ecuaciones;

A + ne = C semireaccin de reduccin (E1) (2.1)

B = D + ne semireaccin de oxidacin (E2) (2.2)

A + B = C + D reaccin total (ET=E1+E2) (2.3)

Donde:


A, B, C, D iones o molculas neutras en solucin

n nmero de electrones intercambiados

En un sistema, los electrones ganados por la semireaccin de reduccin, son perdidos por la semireaccin de

oxidacin, mantenindose as, la neutralidad del sistema. La caracterstica principal de una semireaccin de reduccin, es

que el estado de oxidacin de alguno o todos de sus productos (C), disminuye; por el contrario, en una semireaccin de

oxidacin, el estado de oxidacin de alguno o todos sus productos (D), aumenta. Entendindose, por estado de oxidacin de

un tomo, la valencia que esta presenta en una molcula.

El parmetro que controla, el o los estos de oxidacin de los tomos pertenecientes a especies disueltas en un

medio acuoso, es el potencial (E). As, al aumentar el potencial de un medio acuoso, existir una tendencia a aumentar, el

estado de oxidacin de las especies presentes, o tambin el porcentaje de especies con mayor estado de oxidacin de los

tomos y viceversa.

En el siguiente diagrama, se divide en forma cualitativa, las especies oxidantes y reductoras usadas a nivel

laboratorio e industrial en hidrometalurgia.

cc

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

Oxidantes

Aumentan el

Potencial

Reductores

Disminuyen el

Potencial

- NaClO Hipoclorito de sodio

- H2O2 Agua de oxigenada

- Cl2 Cloro gaseoso

- O2 Oxgeno

- Fe3+

Frrico

- NaHS Sulfidrato de sodio

- Na2S Sulfuro de sodio

- H2 Hidrgeno gaseoso

- Cuo Cobre metlico

- Fe2+

Ferroso

- CO Monoxido de carbono

- SO2 Dioxido de azufre

- H2O Agua

- N2 Gas nitrogeno

- Cl- In cloruro

Agentes

Neutros

Fig. 2.1 Clasificacin de Oxidantes y reductores.

En toda semireaccin de reduccin, como la reaccin (2.1), existir un potencial (E) asociado, y si las actividades

de las especies estn en condiciones estndares, concentracin 1M para especies disueltas y 1 atm de presin para gases,

el potencial es estndar y se denomina (E). Los potenciales anteriores, se relacionan con las concentraciones de reactante

y producto, segn la ecuacin (2.4), ecuacin que ser detallada en la seccin (3.1).

OxRed

logn

0.0591EE o (2.4)

En la prctica, los potenciales estndares (E), se obtienen de tablas y son dados para reacciones de reduccin,

as, si uno escribe una reaccin en forma de oxidacin, el potencial asociado sera (-E). Para el caso de una reaccin total,

el potencial total (ET), est dado por la suma de los potenciales de las reacciones de reduccin y oxidacin, tal como se

muestra en las reacciones (2.1), (2.2) y (2.3) y se ver en detalle en la seccin (3.1). El valor ET, debe ser mayor a cero,

para que la reaccin total proceda en forma espontnea, se debe indicar que esta diferencia (ET), no necesariamente tiene

relacin con la cintica de la reaccin.

A causa de que el potencial redox, no tiene un valor absoluto, se toma como referencia el equilibrio H+/H2 a

condiciones estndares dada por la semireaccin (2.5), al cual se le asigna un valor de 0 V, para 1 atm de presin de H2 y


1M en H+, y ya que la referencia es el electrodo estndar de hidrgeno (ESH), se escribir 0 V(ESH) y los potenciales con

respecto a este sistema, se escribe como Eh y en condiciones estndar como Eho.

2H+ + 2e = H2 (2.5)

En la tabla 2.2 se muestra valores de potenciales de diferentes semireacciones. Como se dijo, para que una

reaccin proceda en forma espontnea, se debe tener Et>0, as, en la tabla 2.2 la reaccin de reduccin debe estar

ubicada en la parte superior con respecto a la de oxidacin, como por ejemplo:

Pd2+ + 2e = Pd (E = 0.951 V) (2.6)

Zn2+ + 2e = Zn (E = -0.7618) (2.7)

Pd2+ + Zn = Pd + Zn2+ E= 0.951 (-0.7618) = 1.7128 (2.8)

Tabla 2.2 Potenciales estndares de diferentes semireacciones.

Semireaccin Eho(V)

Au+ + e = Au

Au3+ + 3e = Au

Pd2+ + 2e = Pd

O2 + 4H+ + 4e = 2H2O

Cu+ + e = Cu

Cu2+ + 2e = Cu

Fe3+ + 3e = Fe

Pb2+ + 2e = Pb

Ni2+ + 2e = Ni

Co2+ + 2e = Co

Fe2+ + 2e = Fe

Zn2+ + 2e = Zn

Al3+ + 3e = Al

Na+ + e = Na

1.692

1.498

0.951

1.229

0.521

0.341

-0.037

-0.126

-0.257

-0.28

0.447

-0.761

-1.662

-2.71

El medio ambiente que nos rodea, es relativamente oxidante, debido a esto, no existen en la naturaleza

elementos al estado metlico que se encuentren en la parte inferior de la tabla 2.2, como por ejemplo, el Al, Na, Zn, etc,

los que siempre se encuentran enlazados a otras molculas, con sus estados de oxidacin mayor a cero.

2.3.1 Potencial del medio acuoso- Toda solucin acuosa tiene asociado un determinado potencial, el cual es

comnmente llamado potencial redox, el que depende del pH, de la temperatura, del tipo y concentracin de iones, etc. En

dicho potencial redox, los distintos iones estn en equilibrio gobernados por la ecuacin (2.4).

Por ejemplo, en medio acuoso el equilibrio del par Fe3+/Fe2+, segn la siguiente semireaccin:

Fe3+ + e = Fe2+ (2.9)

est dado por la siguiente ecuacin:

2

3o

Fe

Felog 0591.0EE (2.10)

2.3.2 El potencial mixto o de reposo- Cuando un slido esta en contacto con una solucin, se forma un potencial en su

superficie, ocurriendo paralelamente semireacciones de oxidacin y reduccin, donde se cumple que la velocidad de

electrones ganados por los reduccin, es igual a la velocidad de electrones perdidos por los oxidacin (figura 2.2a), es

decir, la corriente total de reduccin (catdica) es igual al total de oxidacin (andica). Se asigna a la corrientes andicas

un valor +, las que sumndolas y agrupndolas en una sla, se obtiene una corriente ia, similarmente, a las corrientes

catdicas se les asignan valores -, las que sumando y agrupando en una sla, generan una corriente ic, si se suman estas dos

corrientes se generar una corriente total i, la grfica de las corrientes definidas vs el potencial de la superficie, se

muestra en la figura 2.2b.

Como se dijo, en forma natural en una superficie la corriente catdica (io(-)) es igual a la andica (io(+)), esta

condicin se obtiene bajo un potencial denomidado mixto o de reposo, tal como se muestra en la figura 2.2b.


a) Los electrones perdidos por las reacciones de

oxidacin, son ganados por los de reduccin

b) Grfica de las corrientes andica, catdica y total vs el potencial de la

superficie de la partcula

Fig. 2.2 Potencial en la superficie de una partcula en medio acuoso.

El potencial de reposo no tiene porque ser igual al redox, esto debido a la diferencia de concentracin de iones

en la superficie de la partcula con respecto al de la solucin, es decir, se tiene un perfil de concentracin desde el seno de

la solucin a la superfice de la partcula, lo anterior genera una variacin del potencial desde la solucin a la interfase del

slido, que puede tener diferentes formas, como por ejemplo el que se presenta en la figura 2.3. El potencial de reposo no

es constante y variar del medio donde se encuentre, tal como se muestra en la tabla 2.4.

Fig. 2.3 Variacin del potencial desde la partcula al seno de la solucin.

Tabla 2.3 Potenciales de reposo de minerales sulfurados en distintos medios.

Mineral Solucin T, C Potencial Reposo, mV(ESH)

1M H2SO4 25C 630

1M HClO4 25C 620

1M H2SO4 20C 520

1M HClO4 25C 530

calcosita 1M H2SO4 20C 440

Covelita 1M HClO4 25C 420

Galena 1M H2SO4 20C 280

Esfalerita 1M H2SO4 20C -240

Pirita

Calcopirita

2.3.3 Medicin del potencial de reposo.- Para la medicin del potencial de reposo se necesitan 2 electrodos, uno de

referencia y el otro de la superficie de interes (trabajo), tal como se muestra en la figura 2.4. En el caso del electrodo de

referencia, su valor de potencial no depende del medio, y tiene un valor constante Eref. En el comercio, el electrodo de


referencia ms comn, es el electrodo de Ag/AgCl, dependiendo su potencial de la concentracin interna del in Cl-, el que

es normalmente de 3M, correspondindole un valor de +0.220V (ESH).

Cuando se sumergen en solucin acuosa ambos electrodos y se conectan sus terminales a un voltmetro, con los

terminales del de trabjo y de referencia en los signos (+) y (-) del voltmetro, respectivamente, se lee un valor E, el cual

esta dado por la ecuacin (2.11), as, el potencial redox sera igual a (E + Eref) con respecto al ESH, y si el electrodo de

referencia es de Ag/AgCl, sera (E + 0.220, en V(ESH)).

E = Ereposo Eref (2.11)

Fig. 2.4 Medicin de potencial mixto.

Cuando el electrodo de trabajo es de platino, este por ser inerte, se tiene que la variacin del potencial desde la

solucin a la superficie de la partcula es mnimo, por lo que al leer el potencial mixto del platino, se estara leyendo el

potencial redox, es decir, se tiene:

EPt = Eredox (2.12)

En el mercado, los electrodos de Pt y Ag/AgCl, son vendidos en un solo cuerpo y es llamado electrodo de

potencial, sin embargo, se debe tener en cuenta que internamente consta de dos electrodos. En la prctica, es comn que

la diferencia de potencial que se lee con este electrodo, se le use en forma normal, sin sumarle el valor del potencial del

electrodo de referencia.

2.3.4 Influencia del potencial redox en el de reposo.- Si se tiene que el potencial redox aumenta, como puede ser

debido a la presencia de agentes oxidantes o disminucin del pH, el potencial de reposo tambin presentar un aumento, y

viceversa, aunque debe aclararse, que la relacin entre ellos no tiene porque ser lineal.

2.3.5 Variacin del potencial redox con el pH.- El medio acuoso a un determinado pH, presenta un determinado valor

de potencial redox, el cual variar en forma casi paralela a lnea de estabilidad del agua, tal como se muestra en la figura

2.5, esto siempre y cuando no se agreguen oxidantes ni reductores externos, ni tampoco ocurran reacciones internas en el

medio acuoso.


-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

0 2 4 6 8 10 12 14pH

Po

ten

cia

l, m

V (

ES

H)

pendiente medida = -54.5 mV/pH

pendiente terica = -59 mV/pH

Fig. 2.5 Variacin del potencial redox del agua pura en funcin del pH.

2.4 Clases de disolucin

Existen cuatro clases de disolucin de un compuesto, los cuales se detallan a continuacin:

2.4.1 Disolucin fsica.- Este es el caso ms simple de disolucin, donde el compuesto es totalmente soluble en medio

acuoso. Este es el caso de la disolucin de las sales NaCl, CuCl2 y Fe2(SO4)3, los que se disuelven en agua, segn las

siguientes reacciones:

NaCl Na+ + Cl- (2.13)

CuCl2 Cu2+ + 2Cl- (2.14)

Fe2(SO4)3 2Fe3+ + 3SO4

2- (2.15)

Generalmente, las molculas con enlace inico pertenecen a este tipo de disolucin. En la disolucin, los cristales

se recubren de una capa de solucin saturada de sal, la que se difunde hacia el seno de la solucin, siendo la velocidad de

disolucin gobernada por la agitacin del sistema. La energa de activacin para estos sistemas es menor a 5 kcal/mol.

2.4.2 Disolucin qumica.- Este tipo de disolucin est gobernada por una constante de equilibrio. Este sistema se

representa segn la siguiente reaccin:

AmBn(s) mAn+ + nBm- K = [An+m [Bm-n (2.16)

tal como se observa en las siguientes reacciones:

CuCl(s) Cu+ + Cl- [Cu+ [Cl- = 3.2x10-7 (25C) (2.17)

CoS(s) Co2+ + S2- [Co2+ [S2- = 10-22 (25C) (2.18)

CaCO3(s) Ca2+ + CO3

2- [Ca2+ [CO32- = 1.2x10-8 (25C) (2.19)

Este tipo de disolucin generalmente presentan enlaces covalentes, y su solubilidad (equilibrio) se ve afectada

por la presencia de ciertos iones y ms an, si son iones comunes a los del slido, esto debido a la formacin de complejos.

Por ejemplo, la solubilidad del cloruro cuproso (CuCl) en medio cido, es muy baja, pero si se agrega NaCl al sistema, se

aumenta considerablemente su solubilidad, debido a la formacin de complejos cuprosos de cloro los cuales son muy

estables.

2.4.3 Disolucin electroqumica.- En este tipo de disolucin ocurren cambios de estados de oxidacin, es decir,

reacciones de oxidacin y reduccin. Por lo tanto, para que la disolucin ocurra, se necesita agregar agentes que

modifiquen el potencial del sistema. Ejemplos tpicos, es la disolucin de los metales y los sulfuros, los cuales necesitan

agentes oxidantes. A continuacin se muestran ejemplos de semireacciones de oxidacin con sus respectivos potenciales

standard:


Cu Cu2+ + 2e Eh = 0.34 V (2.20)

Fe Fe2+ + 2e Eh = -0.44 V (2.21)

CuS Cu2+ + S + 2e Eh = -0.61 V (2.22)

Uno de los agentes oxidantes que normalmente es usado, es el oxigeno, el cual se reduce segn la siguiente

semireaccin:

O2 + 4H+ + 4e 2H2O Eh = 1.2 V (2.23)

Por lo tanto, si consideramos la disolucin del cobre metlico con O2, esta ocurrir segn la siguiente reaccin:

2Cu + O2 + 4H+ 2Cu2+ + 2H2O (2.24)

2.4.4 Disolucin electroltica.- Este tipo de disolucin es igual a la disolucin electroqumica, con la diferencia que en

este caso se impone una corriente elctrica al sistema. Un ejemplo tpico de uso industrial, es la disolucin de los nodos

de cobre en la electrorefinacin de Cu.

En la prctica, es comn que se tengan disoluciones que presenten como mecanismo, mezclas de las disoluciones

detalladas.

2.5 Tipos de enlaces en los cristales

2.5.1 Enlace inico.- Este enlace es producto de las fuerzas electrostticas de atraccin entre aniones y cationes. En

general, en todos los manuales sirve como ejemplo de tal enlace, el que se da en la molcula de NaCl. Este enlace es tpico

para el enlace cristalino.

El cristal compuesto de iones de carga contraria que se atraen, no podra existir, si entre los iones no actuaran al

mismo tiempo fuerzas de repulsin. En efecto, la escasa calidad de compresin del cloruro cristalino de sodio, indica, que

una insignificante reduccin de distancia entre los iones tropieza con una gran resistencia, justamente debido a la

aparicin de considerables fuerzas de repulsin.

El enlace inico, hace que estos cristales se disuelvan en solventes polares, tales como el agua, generando iones

libres, produciendo as, soluciones conductoras. Fsicamente, los cristales con este enlace son por lo general, de dureza y

peso especfico moderado, tienen puntos de ebullicin y fusin generalmente altos y son poco conductores de electricidad

y de calor. Debido a que la carga electrosttica que constituye la conexin inica, est repartida sobre la superficie total

del tomo, este tipo de conexin no es muy direccional, y la simetra del cristal resultante, es por lo general perfecta. La

fuerza de enlace inico, es decir, la cantidad de energa necesaria para romperla, depende de dos factores: la distancia

entre los centros de los dos iones y su carga total, en el caso del NaCl, se cumple rigurosamente esta ley.

2.5.2 Enlace covalente.- En este enlace se comparten electrones para formar la unin de los tomos. Este tipo de

enlace es el ms fuerte de los enlaces qumicos, caracterizndose por su insolubilidad general, gran estabilidad y puntos de

ebullicin y fusin muy altos. La formacin de iones en solucin es muy escasa, por lo que no son conductores de

electricidad, ni en estado slido, ni en solucin. Debido a que las fuerzas elctricas que forman el enlace, estn justamente

localizadas en la vecindad del electrn compartido, el enlace es direccional y la simetra de los cristales resultantes es

menos perfecta que cuando se presenta un enlace inico.

2.5.3 Enlace metlico.- En este tipo de enlace, las unidades estructurales de los metales, son los ncleos atmicos,

unidos por la carga elctrica de una nube de electrones que los rodea. Un electrn no pertenece a un ncleo determinado, y

es libre de moverse por la estructura, o incluso fuera de ella, sin alterar en absoluto el mecanismo del enlace. Las

caractersticas de este enlace, es su gran plasticidad, tenacidad, ductilidad y conductividad, as como sus valores bajos de

dureza, punto de fusin y punto de ebullicin. Entre los minerales, solamente los metales nativos presentan este tipo de

enlace.

2.5.4 Enlace de Van der Waals.- Este tipo de enlace es el ms dbil de todos, interviniendo las llamadas fuerzas de

Van der Waals, los que son de largo alcance y se detallan a continuacin:

i Fuerzas de orientacin (Keesom).- Estas fuerzas pueden considerarse como una accin entre los polos de signo

contrario de dipolos permanentes. Estas pueden ser de dos tipos, in-dipolo y dipolo-dipolo (figura 2.6). En el

primer caso, cuando una molcula polar se acerca a un in, esta se orientar como se sugiere en la figura 2.6 a y

b. En el segundo caso, todas las molculas polares vecinas se orientarn como se muestra en la figura 2.6 c y d,

minimizando as, la energa de interaccin.


a)

b)

c)

d)

Fig. 2.6 Accin de las fuerzas de orientacin.

ii Fuerzas de induccin (Debye).- Este caso se da, cuando a una molcula no polar (molcula orgnica), sin

momento dipolar permanente, es sometida a un campo elctrico, presentando as, un desplazamiento de sus

electrones desde su posicin normal, as la nube de electrones y el ncleo son atradas en direcciones opuestas y

se produce un dipolo inducido. El campo elctrico puede ser provocado, por un in o una molcula con dipolo

permanente, obtenindose as, una atraccin similar al caso anterior.

iii Fuerzas de dispersin (London).- Mediante esta clase de fuerzas pueden atraerse las molculas o tomos, para

los cuales es imposible la atraccin mediante los 2 mecanismos anteriores, ya que las especies involucradas

presentan momento dipolar cero. Para explicar este tipo de fuerza, se debe tener en cuenta que las molculas no

polares, son as, en promedio durante un periodo de tiempo, sin embargo, debido a las oscilaciones constantes de

los electrones alrededor del ncleo, se producen desplazamientos momentneos de los electrones con respecto al

ncleo, crendose as, dipolos transitorios. Este momento dipolar creado cambia rpidamente de magnitud y

direccin, siendo diferente a cero en cortos periodos de tiempo, los que producen un campo elctrico, el cual

induce dipolos en las molculas vecinas. El resultado de esta induccin es una fuerza atractiva, conocida como

fuerza dipolo inducido-dipolo inducido. As, la fuerza de dispersin, es la fuerza instantnea promedio de

atraccin sobre todas las configuraciones de los electrones en la molcula.

iv Enlace de hidrgeno.- El enlace puente de hidrogeno, se trata de un tipo de enlace de la forma A-H entre el

hidrgeno y un grupo donante de protones, donde A es un tomo electronegativo (A: O, N, S, halgeno o C). A

continuacin se esquematiza este enlace:

O

H

O

O

C

O

C H

H

H

2.5.5 Cristales con ms de un tipo de enlace.- En las sustancias naturales, con su tremenda complejidad y

diversidad, la presencia de un solo tipo enlace resulta muy raro, coexistiendo as, en la mayora de los minerales dos o ms

tipos de enlaces. Cuando ocurre esto, el cristal comparte las propiedades de los diferentes tipos de enlaces presentes, y

como resultado de ello, se producen con frecuencia casos de propiedades direccionales muy claras. As, en el grafito la

cohesin de las hojas delgadas de que est formado, es el resultado de un fuerte enlace covalente en el plano de las hojas,

mientras que la excelente exfoliacin, una de las mejores entre los minerales, refleja el enlace Van de Waals, manteniendo

juntas entre s las hojas.

2.6 Tensin superficial e interfacial

En el estado lquido se tiene que las molculas se atraen unas a las otras, en cuanto a las molculas que se

encuentran en el seno de la solucin, en promedio estas estn sujetas a igual fuerza de atraccin en todas las direcciones

(figura 2.7), mientras las que se encuentran en la interfase lquido-aire (u otra interfase), estas experimentan un

desbalance de fuerzas atractivas entre ellas, por lo que experimentan un empuje hacia el seno de la solucin, as, muchas

molculas con frecuencia dejan la superficie del lquido, para dirigirse hacia el seno de la solucin. Por esta razn, las gotas

de lquido y burbujas de gas tienden a ser de forma esfrica. Esta fuerza, que hace que la superficie se contraiga es

conocida como tensin superficial (), por lo que si se desea aumentar el rea superficial de un lquido es necesario

entregar energa al sistema.


Lquido

Aire

Fig. 2.7 Fuerzas atractivas entre las molculas en la superficie y en el interior del lquido.

La tensin superficial puede ser vista desde dos puntos de vista. El primero, es termodinmico y se le debera

llamar energa libre superficial (), definindose como la energa por unidad de rea de una superficie lquida, por lo

tanto, la energa libe total de la superficie del lquido (el cual posee un rea A) sera A, de acuerdo a la termodinmica,

esta energa total debe ser mnima para un volumen determinado, lo cual se logra slo si A es mnimo, esto justifica que las

gotas tengan forma esfrica. El trabajo efectuado al aumentar el rea superficial de un lquido, est dado por:

Trabajo efectuado = W = dA (2.25)

Donde dA, es el cambio de rea de la superficie del liquido. De acuerdo a esta definicin, las unidades de sera

energa/rea, siendo la ms comun ergio/cm2.

Desde un punto de vista fsico, la tensin superficial es la fuerza de contraccin por unidad de longitud que acta

paralelamente a la superficie del lquido. Esta ltima definicin se ilustra en la figura 2.8, donde se tiene un film de jabn,

el cual tiene un lado movible, a este lado movible hay que aplicarle una fuerza externa F, para que el film no se contraiga o

se estire. Si existe un desplazamiento dx de la parte movil, el trabajo efectuado estara dado por:

W = F dx = (2 l) dx = (2 l dx) = (2 dA) (2.26)

En esta ecuacin, el valor de 2 es debido a que el film de jabn posee dos caras, es decir, se tiene dos

superficies, siendo esta ltima ecuacin equivalente a la (2.25). De acuerdo a esta definicin, las unidades de la tensin

superficial seran de fuerza/longitud, siendo la ms usadas dinas/cm. Por lo tanto, se tiene que las dos definiciones de

tensin superficial son equivalentes.

Normalmente, se llama supeficie al lmite entre un lquido y un gas, e interfase al lmite entre dos lquidos. En la

interfase entre dos lquidos, tambin existe un desbalance de fuerzas intermolculares pero de menor mgnitud,

existiendo tambin una tensin entre ambas, llamada tensin interfacial.

Fig 2.8 Estiramiento de un film de jabn con un lado movible.

2.6.1 Agentes tensoactivos.- Se define un agente tensoactivo, como cualquier sustancia que disminuye la tensin

superficial o interfacial del medio en que se disuelve, adsorbindose (concentrndose) en dichas interfases. En general,


estos agentes se caracterizan por componerse de una parte polar y una no polar (molculas amfiflicas), siendo

normalmente, la porcin no polar de naturaleza hidrocarbonada (tambin puede ser flouorocarbonado) y de poca afinidad

(rechazo) por el medio acuoso; la parte polar, puede envolver casi cualquier grupo funcional de la qumica orgnica, los

cuales tienen afinidad por el medio acuoso, pudiendo contener oxigeno, como los cidos carboxlicos, steres, teres o

alcoholes, tambin puede contener azufre como los cidos sulfnicos o sus steres, adems, elementos como el fsforo,

nitrgeno o un halgeno. Estos agentes tensoactivos, tienden a orientarse en la interfase con su grupo polar dirigido hacia

la fase acuosa y su grupo no polar hacia la fase gaseosa (o aceite). Estos agentes tensoactivos pueden ser inicos o

neutros. En la figura 2.9 se muestra el esquema de un agente tensoactivo, adems de su orientacin en la interfase.

parte no polar

( lipoflico)

parte polar

(hidroflico) acuoso

gas o aceite

Fig. 2.9 Representacin y orientacin esquemtica de los agentes tensoactivos.

2.6.2 La tensin superficial en lixiviacin.- La hidrometalurgia tiene como propsito la disolucin en un medio acuoso

de las especies valiosas. Debido a esto, se necesita que las partculas a tratar sean lo ms hidroflicas posibles, esto con el

fin de que la solucin lixiviante penetre con mayor facilidad en su interior por accin capilar, entendindose por

capilaridad, al conjunto de fenmenos que se producen en la superficie de un lquido, en particular cuando est dentro de

un tubo capilar.

La caracterstica hidroflica (mojabilidad) de un slido, es influenciada por la tensin superficial del lquido,

siendo esta ltima controlable con reactivos respectivos, tal como se ver a continuacin.

2.6.3 El ngulo de contacto y mojamiento.- Cuando una gota es ubicada sobre la superficie de un lquido, esta forma

un ngulo entre las fases lquida y slida (figura 2.10), el cual se define como el ngulo de contacto.

SG

LG

slido

lquido

gas

SL

Fig. 2.10 ngulo de contacto.

Si se realiza un balance de fuerzas en la direccin de la interfase slido/lquido, se obtiene la ecuacin de Young

(se debe aclarar que este anlisis es termodinmico).

SG = SL + LG cos (2.27)

LG

SLSG

cos

(2.28)

Se dice que un lquido moja un slido, cuando


slido

lquido

gas

Fig. 2.11 Agentes tensoactivos en la interfase lquido/gas y lquido/slido.

2.7 Formacin de complejos

En hidrometalurgia es importante la formacin de complejos, ya que esto da lugar a la disolucin de especies

minerales en condiciones donde no ocurra tal fenmeno, luego, la presencia de la especie acomplejante promueve o

aumenta la disolucin de ciertas partculas.

Un complejo, es la unin de dos o ms especies que pueden existir en forma independiente y son

termodinmicamente estables. Este consta de una especie central (el cual generalmente es un catin), alrededor del cual

se encuentran los ligandos. El acomplejamiento ocurre por etapas y conforme va aumentando la concentracin total del

ligando en el sistema, va variando la estabilidad de los diversos complejos.

A continuacin se muestra el acomplejamiento de un catin metlico con un ligando L- con sus respectivas

constantes de formacin:

Mz+ + L- = ML(z-1) K1 = [ML(z-1) / [Mz+ [L- (2.29)

Mz+ + 2L- = ML2(z-2) K2 = [ML

(z-2) / [Mz+ [L-2 (2.30)

en general:

Mz+ + nL- = MLn(z-n) Kn = [ML

(z-n) / [Mz+ [L-n (2.31)

Estas constantes de formacin, pueden determinarse a partir de las energas libres de formacin de sus

especies, tal como se ver en la seccin (3.1), adems, estas seran para un valor de fuerza inica (I) igual cero. En la

bibliografa, se encuentran diferentes constantes de formacin aparentes (I>0), para los diferentes medios, los cuales

reflejan con mayor veracidad la concentracin de los diferentes complejos.

2.8 Solubilidad del O2 en medio acuoso

Debido a que en lixiviacin es necesario un oxidante, el agente ms abundante y barato usado, es el O2 que se

encuentra en el aire. Por lo que se hace necesario, saber su comportamiento.

El O2 es un buen oxidante natural, el cual puede ser obtenido del aire, sin embargo, este elemento en medio

acuoso presenta baja solubilidad. La solubilidad de este elemento en agua pura, es de 40.58 ppm a una presin de 1 atm de

O2 y de 8.52 ppm a 1 atm de presin de aire (21% O2)(Narita). Se debe indicar, que las ecuaciones dadas para el caso del O2,

se puede usar para otros tipos de gases, realizando las respectivas correcciones.

2.8.1 Influencia de la temperatura.- La solubilidad del O2 disminuye al aumentar la temperatura, segn la siguiente

relacin(Tran):

ST = S298 exp[(1336/T)-4.48] (2.32)

Donde:

ST solubilidad del O2 a la temperatura T

S298 solubilidad del O2 a los 298K

T temperatura en grados kelvin

En la figura 2.12, se muestra la solubilidad del oxigeno en funcin de la temperatura para diferentes electrolitos,

observndose que conforme aumenta temperatura, la solubilidad del O2 va disminuyendo, lo que esta de acuerdo a la

ecuacin (2.32).


Fig. 2.12 Solubilidad del O2 en diversos electrolitos a diversas temperaturas, PO2 = 1 atm

(Narita).

Si bien un aumento de la temperatura, normalmente incrementa las constantes de velocidad intrnsecas de

reaccin y las de difusin del sistema, la solubilidad del O2 disminuye, por lo que se debe tener un mximo en la

recuperacin. Este efecto se observa en la figura 2.13, donde se presenta un mximo a aproximadamente de 92C al

lixiviar calcosina. De acuerdo a lo anterior, un medio que necesite oxidacin, un aumento de la temperatura es

apropiado, pero tendr efectos negativos a alguna temperatura.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

50 60 70 80 90 100 110

Temperatura, C

Extr

acci

n d

e C

u, %

Fig. 2.13 Extraccin de Cu desde Cu2S en funcin de la temperatura en laboratorio, condiciones: pulpa a 0.6M HCl, 2.4M

NaCl, tiempo 20 min, en presencia de O2(Honores).

2.8.2 Influencia de la fuerza inica.- La solubilidad del O2 disminuye al aumentar la fuerza inica (concentracin

de sales) del sistema, lo cual est dado por la siguiente relacin(Tran):

log(SI/So) = -kiCi (2.33)

Donde:

SI solubilidad del oxigeno a una determinada fuerza inica

So solubilidad del oxigeno en agua pura


Ci es la concentracin de la especie inica i, mol/l

ki constante semiemprica para la especie inica i, unidades

Esta regla puede verificarse en la figura 2.14, donde se observa la disminucin de la solubilidad de O2 al

aumentar la concentracin de diversos electrolitos.

Fig. 2.14 log(S/So) en funcin de la concentracin de diferentes electrolitos(Narita).

En la siguiente tabla se muestran la solubilidad del O2 para diferentes soluciones de electrolito a diversas

temperaturas.

Tabla 2.4 Solubilidades del O2 (mg/l) (PO2 = 1 atm), en diferentes medios(Yong).

Solucin de Electrolito Temperatura

25C 65C 75C 80C 85C 90C 95C

Agua pura 40.6 23.9 21.4 20.3 19.2 18.3 17.4

0.5M H2SO4/0.5M NaCl 30.2 17.8 15.9 15.0 14.3 13.6 12.9

0.5M H2SO4/2.0M NaCl 18.9 11.2 10.0 9.4 8.9 8.5 8.1

2.0M H2SO4/0.5M NaCl 19.9 11.7 10.5 9.9 9.4 8.9 8.5

0.02M H2SO4/0.5M NaCl 34.5 20.4 18.2 17.2 16.3 15.5 14.8

0.005M H2SO4/0.5M NaCl 34.7 20.5 18.3 17.3 16.4 15.6 14.8

2.8.3 Variacin de la presin con la altitud.- La presin atmosfrica disminuye al aumentar la altitud, lo que conlleva

a que disminuya la presin parcial del O2, y a su vez, a una disminucin en la solubilidad del O2 en medio acuoso. En la figura

2.15 se muestra el valor de la presin atmosfrica a diferentes alturas y en la tabla 2.5 se presenta la variacin de la

solucibilidad del O2 a diferentes alturas y temperaturas.


Fig. 2.15 Variacin de la presin y % O2 en aire en funcin de la altura.

Tabla 2.5 Solubilidad del O2 a diferentes altitudes y temperaturas.

C 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 4000

0 14,6 14,1 13,6 13,2 12,7 12,3 11,8 10,9 10,2 9,4 8,7 8,1 7,6 6,6

2 13,8 13,3 12,9 12,4 12,0 11,6 11,2 10,3 9,6 8,9 8,2 7,7 7,1 6,3

4 13,1 12,7 12,2 11,9 11,4 11,0 10,6 9,8 9,1 8,5 7,8 7,3 6,7 6,0

6 12,4 12,0 11,6 11,2 10,8 10,4 10,1 9,3 8,6 8,0 7,4 6,9 6,4 5,7

8 11,8 11,4 11,0 10,6 10,3 9,9 9,6 8,9 8,2 7,6 7,1 6,5 6,1 5,4

10 11,3 10,9 10,5 10,2 9,8 9,5 9,2 8,5 7,8 7,3 6,8 6,3 5,8 5,1

12 10,8 10,4 10,1 9,7 9,4 9,1 8,8 8,1 7,5 7,0 6,4 6,0 5,6 4,9

14 10,3 9,9 9,6 9,3 9,0 8,7 8,3 7,8 7,2 6,6 6,2 5,7 5,3 4,7

16 9,9 9,7 9,2 8,9 8,6 8,3 8,0 7,5 6,9 6,4 5,9 5,5 5,1 4,5

18 9,5 9,2 8,7 8,6 8,3 8,0 7,7 7,2 6,6 6,1 5,7 5,3 4,9 4,3

20 9,1 8,8 8,5 8,2 7,9 7,7 7,4 6,9 6,3 5,9 5,5 5,1 4,7 4,1

22 8,7 8,4 8,1 7,8 7,7 7,3 7,1 6,6 6,0 5,6 5,3 4,9 4,5 4,0

24 8,4 8,1 7,8 7,5 7,3 7,1 6,8 6,3 5,8 5,5 5,1 4,7 4,4 3,8

26 8,1 7,8 7,5 7,3 7,0 6,8 6,6 6,1 5,7 5,2 4,8 4,5 4,2 3,7

28 7,8 7,5 7,3 7,0 6,8 6,6 6,3 5,9 5,4 5,0 4,7 4,3 4,0 3,6

30 7,5 7,2 7,0 6,8 6,5 6,3 6,1 5,7 5,2 4,9 4,6 4,2 3,9 3,5

32 7,3 7,1 6,8 6,6 6,4 6,1 5,9 5,5 5,1 4,7 4,4 4,1 3,8 3,3

34 7,1 6,9 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8 5,4 4,9 4,6 4,2 3,9 3,7 3,2

36 6,8 6,6 6,3 6,1 5,9 5,7 5,5 5,2 4,8 4,5 4,1 3,8 3,5 3,1

38 6,6 6,4 6,2 5,9 5,7 5,6 5,4 5,0 4,6 4,3 4,0 3,7 3,5 3,0

40 6,4 6,2 6,0 5,8 5,6 5,4 5,2 4,8 4,5 4,2 3,9 3,6 3,3 2,9

42 6,3 6,1 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,7 4,3 4,0 3,7 3,5 3,2 2,9

44 6,1 5,9 5,7 5,5 5,3 5,1 4,9 4,6 4,3 4,0 3,7 3,4 3,1 2,8

46 5,9 5,7 5,5 5,3 5,1 4,9 4,8 4,4 4,1 3,8 3,5 3,3 3,1 2,7

48 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,8 4,6 4,3 4,0 3,7 3,5 3,2 2,9 2,6

50 5,6 5,4 5,2 5,0 4,9 4,7 4,5 4,2 3,9 3,6 3,4 3,1 2,9 2,6

Altitud Sobre el Nivel del Mar, m

2.8.4 Variacin de la solubilidad con la presin parcial.- La solubilidad de un gas en medio acuoso, vara segn la

ecuacin (2.34) para bajas presiones parciales del gas, es decir, si la presin aumenta demasiado, se deben realizar las

correcciones respectivas.

SP = kg Pp (2.34)

Donde:

Sp solubilidad de un gas a una presin parcial Pp, ppm (40.6 ppm de O2 a 1 atm)

kg constante que depende del gas, (40.6 ppm/atm para el O2)

Pp presin parcial del gas, atm


2.8.5 Variacin de la solubilidad mxima con la altura en pulpas agitadas.- En pulpas agitadas en estanques, se

tiene un aumento de la presin desde su superficie superior, la que es funcin de la profundidad medida (h) y est dada por

la ecuacin (2.33). De acuerdo a la seccin anterior, la solubilidad mxima de O2 que se puede lograr a alguna presin

determinada (Ph), esta por la ecuacin (2.34), esta presin est dada por la ecuacin (2.35). Se debe aclarar, que para

alcanzar la solubilidad mxima, hay que someter el sistema a aireacin u oxigenacin constante, debido a que el O2 disuelto

puede estar consumindose en forma constante, por alguna reaccin qumica u otros fenmenos. En la figura 2.16, se

presenta la variacin de la solubilidad de O2 y de la presin en funcin de la altura en un estanque de pulpa, de acuerdo a

los datos adjuntos en la grfica, se observa que la solubilidad mxima a 10 m de altura, puede prcticamente duplicarse.

Estos resultados, tienen incidencia en procesos industriales, tales como la lixiviacin en agitacin para disolver el Au y Ag

desde sus menas.

Ph = Patm + P h/10.33 (2.35)

Sh = kg Ph (2.36)

Donde:

Ph presin total a una profundidad determinada, atm

Patm presin atmosfrica, atm

P densidad de la pulpa, kg/l

h altura determinada, m

kg constante de acuerdo a la ecuacin (2.34)

Sh solubilidad mxima de O2 a una altura determinada, ppm

0

5

10

15

20

0 2 4 6 8 10Profundidad desde la parte superior (h), m

Sh, p

pm

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Ph, atm

Fig. 2.16 Variacin de la solubilidad mxima de O2 y presin total, en funcin de la altura desde la superficie de un

estanque, P 1.4 kg/l, [O2]o 8.52 ppm, Patm 1 atm.

2.9 Clasificacin de los minerales

(Wilfredo Vera)Los componentes inorgnicos estn constituidos por un nmero limitado de especies que en su mayora

tiene una estructura definida, aunque en algunas de ellas esta vagamente determinada. La identificacin de los minerales

permite explicar razonablemente las propiedades del suelo y su comportamiento.

Por su origen, los minerales se pueden clasificar en primarios y secundarios:

Minerales primarios: Son aquellos que se formaron a temperaturas elevadas, a partir del magma fundido y no se

alteraron qumicamente despus de su gnesis. Por lo tanto, provienen de las rocas gneas y metamrficas y a

veces a travs de un ciclo sedimentario.

Minerales secundarios: Son aquellos producidos como resultado de la alteracin de un mineral primario, ya sea

por reemplazo parcial de alguno de sus constituyentes (herencia) o por precipitacin de los productos de

meteorizacin en un orden nuevo, sin relacin estructural con el mineral que le dio origen (neosintesis).

Los minerales, pueden clasificarse de diferentes maneras, pero la basada en su composicin qumica, es la

universalmente aceptada. Las principales divisiones de clasificacin son:


1 Elementos nativos

2 Sulfuros

3 Sulfosales

4 xidos

a Simples y multiples

b Hidrxidos

5 Haluros

6 Carbonatos

7 Nitratos

8 Boratos

9 Fosfatos

10 Sulfatos

11 Tungstatos

12 Silicatos

Estas clases, se subdividen en familias basndose en los tipos qumicos, y la familia a su vez, se divide en grupos que presentan una gran similitud cristalogrfica y estructural. El grupo esta formado por especies, que pueden formar series entre s, y finalmente, la especie puede presentar variedades.

2.9.1 Elementos nativas.- Se denominan especies nativas, a los elementos que se encuentran en la naturaleza al

estado de oxidacin cero. En la naturaleza, con excepcin de los gases libres en la atmsfera, solamente unos veinte

elementos se encuentran en estado nativo. Estos elementos pueden dividirse en: a) metales; b) semimetales y c) no

metales. En la tabla 2.6, se presentan los elementos nativos ms importantes.

Tabla 2.6.- Elementos nativos.

Grupo Nombre Frmula

Metales

Oro

Plata

Cobre

Platino

Hierro

Au

Ag

Cu

Pt

Fe

Semimetales Arsnico

Bismuto

As

Bi

No metales

Azufre

Diamante

Grafito

S

C

C

2.9.2 Sulfuros.- Los sulfuros constituyen una importante clase de minerales, pues comprenden la mayora de las menas

minerales. Con ellos se clasifican tambin, los seleniuros, telururos, arseniuros y antimoniuros, similares a los sulfuros,

pero siempre muy raros.

Los sulfuros pueden ser divididos en reducidos grupos estructurales, pero no es posible hacer grandes

generalizaciones respecto a su estructura. Muchos de los sulfuros tienen enlaces inicos, pero otros, que poseen la

mayora de las propiedades de los metales, tienen enlaces metlicos, al menos parcialmente. La blenda tiene estructura

similar a la del diamante, y como este, tiene enlaces covalentes.

La frmula general de los sulfuros, es AmXn, en donde A representa los elementos metlicos y X el elemento no

metlico. El orden de enumeracin de los distintos minerales, es la de la proporcin A:X. En la tabla 2.7, se presentan los

minerales sulfurados de mayor inters.

Tabla 2.7 Ejemplos de minerales sulfurados

Nombre Frmula Nombre Frmula

Calcosina

Covelina

Calcopirita

Bornita

Cubanita

Idaita

Pirita

Marcasita

Pirrotita

Argentita

Galena

Blenda

Molibdenita

Cu2S

CuS

CuFeS2

Cu5FeS4

CuFe2S3

Cu3FeS4

FeS2

FeS2

FeS

Ag2S

PbS

ZnS

MoS2

Cinabrio

Rejalgar

Oropimente

Arsenopirita

Estibina

Bismutita

Cobaltina

Calaverita

Niquelina

Silvanita

Estannina

Greenockita

HgS

AsS

As2S3

FeAsS

Sb2S3

Bi2S3

(Co,Fe)AsS

AuTe2

NiAs

(Au,Ag)Te2

Cu2FeSnS4

CdS


2.9.3 Sulfosal.- El trmino sulfosal, se propuso originalmente para indicar que el mineral era una sal de una serie de

oxicidos, en los cuales el azufre ha sustituido al oxgeno. Dado que dichos cidos, suelen ser simplemente hipotticos,

resulta engaoso tratar as de explicar esta clase de minerales. Sin embargo, el trmino sulfosal es til y se mantiene para

indicar cierto nmero de minerales de azufre diferentes de los sulfuros.

Los sulfuros son minerales en los que el metal o el semimetal, estn combinados directamente al azufre. Si estn

presentes tanto el metal como el semimetal, ste ocupa el lugar del azufre en la estructura, como en el caso de la

arsenopirita, y as acta como un elemento electronegativo. En las sulfosales los semimetales desempean un papel

parecido al de los metales en la estructura, y pueden en cierto sentido, ser considerados como sulfuros dobles. En la tabla

2.8, se presentan las sulfosales de mayor inters.

Tabla 2.8 Sulfosales de mayor inters.


Enargita

Tennantita

Tetraedrita

Proustita

Cu3AsS4

Cu12As4S13

Cu12Sb4S13

Ag3AsS3

Pirargirita

Bournonita

Jamesonita

Ag3SbS3

CuPbSbS3

FePb4Sb6S14

2.9.4 xidos.- Los xidos minerales comprenden aquellos compuestos, en que el oxgeno est combinado con uno o ms

metales. Los xidos se clasifican en: xidos simples, xidos mltiples e hidrxidos. Los xidos simples estn compuestos de un metal y oxgeno, son de diferentes tipos con diferentes proporciones A:O (relacin del metal al oxgeno), como AO,

A2O, A2O3. Los xidos mltiples tienen dos tomos de metal no equivalentes (A y B), cuando en alguno de estos compuestos

el hidrgeno ocupa el lugar del metal, como en la goethita (FeOOH), entonces se agrupa con los hidrxidos.

Tabla 2.9 xidos ms comunes.

Tipo Nombre Frmula

Simple

Cuprita

Tenorita

Cincita

Corindon

Hematita

Magnetita

Ilmenita

Rutilo

Pirolusita

Casiterita

Uraninita

Cu2O

CuO

ZnO

Al2O3

Fe2O3

Fe3O4

FeTiO3

TiO2

MnO2

SnO2

UO2

Mltiple

Espinela

Gahnita

Franklinita

Cromita

Crisoberilo

Columnita

MgAl2O4

ZnAl2O4

(Zn,Fe,Mn)(Fe,Mn)2O4

FeCr2O4

BeAl2O4

(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O4

Hidrxidos

Brucita

Manganita

Psilomelano

Diaspora

Goethita

Bauxita

Mg(OH)2

MnO(OH)

(Ba,H2O)2Mn5O10

HAlO2

HFeO2

Al(OH)3

2.9.5 Haluros.- La clase qumica de los haluros, se caracteriza por el predominio de los iones halgenos

electronegativos (Cl-, Br-, F- e I-), que son grandes, tienen carga dbil y se polarizan fcilmente.

Tabla 2.10 Haluros de mayor inters.


Halita NaCl Fluorita CaF2

CuCl2.3Cu(OH)2


Silvina

Querargirita

Criolita

KCl

AgCl

Na3AlF6

Atacamita

Carnalita

MgKCl3.6H2O

2.9.6 Carbonatos.- Cuando el carbono se une con el oxgeno, tiene una fuerte tendencia a ligar dos tomos de oxgeno,

compartiendo con cada uno de estos dos de sus cuatro electrones de valencia para formar una unidad qumica estable. En

la naturaleza el carbono se une tambin con el oxgeno para formar el in carbonato CO32-, cada tomo oxgeno esta ligado

al del carbono, con ms fuerza de la que pueda estar posiblemente ligado a cualquier otro in de la estructura.

Tabla 2.11 Carbonatos de mayor inters.


Calcita

Magnesita

Siderita

Rodocrosita

Smithsonita

Dolomita

Ankerita

CaCO3

MgCO3

FeCO3

MnCO3

ZnCO3

(Ca,Mg)(CO3)2

CaFe(CO3)2

Aragonito

Witherita

Estroncianita

Cerusita

Malaquita

Azurita

CaCO3

BaCO3

SrCO3

PbCO3 CuCO3.Cu(OH)2 2CuCO3.Cu(OH)2

2.9.7 Nitratos.- El nitrgeno pentavalente forma con el oxgeno grupos inicos similares al carbonato, que constituyen

el radical monovalente nitrato, NO3- y son los grupos dominantes en los minerales nitratos. Los nitratos de inters, son el

sdico (NaNO3) y el potsico (KNO3).

2.9.8 Boratos.- Los boratos tienen gran inters para los mineralogistas, porque al igual que los aluminofluoruros y los

silicatos, son susceptibles de formar grupos aninicos polimerizados en forma de cadenas, hojas y grupos mltiples

aislados. Se conocen unos 100 minerales boratos, pero slo consideraremos aqu los cuatro ms abundantes: kernita

(Na2B4O7.4H2O), borax (Na2B4O7.10H2O), ulexita (NaCaB5O9.8H2O) y Colemanita (Ca2B5O11.5H2O).

2.9.9 Sulfatos.- Al tratar los sulfuros minerales, hemos visto que el azufre tiene importancia bajo forma de un anin

sulfuro divalente de gran tamao, este in resulta al ocupar dos electrones capturados de las posiciones vacantes del nivel

electrnico exterior o de valencia. El enlace azufre-oxgeno en este grupo inico, es muy fuerte y covalente por sus

propiedades, produciendo grupos fuertemente unidos que no pueden compartir oxgenos. Estos grupos SO42-, radical

sulfato en qumica, son las unidades estructurales fundamentales de los sulfatos minerales.

Tabla 2.12 Sulfatos de mayor inters.


Baritina

Celestina

Anglesita

Anhidrita

BaSO4

SrSO4

PbSO4

CaSO4

Antlerita

Yeso

Epsomita

Chalcantita

Alunita

CuSO4.2Cu(OH)2

CaSO4.2H2O

MgSO4.7H2O

CuSO4.5H2O

KAl3(OH)6(SO4)2

2.9.10 Tungstatos.- Los minerales de esta clase qumica, pertenecen principalmente a dos grupos isoestructurales. El

grupo de la wolframita, consiste en cationes divalentes bastantes pequeos, tales como hierro, manganeso, magnesio, nquel

y cobalto, en coordinacin 6 con iones tungstato. En los minerales se observa solucin slida completa entre el hierro

ferroso y el manganeso divalente.

El grupo de la scheelita, contiene compuestos de iones divalentes de mayor tamao, tales como el calcio y plomo,

en coordinacin 8 con iones tungstato y molibdato. El tungsteno y el molibdeno, pueden sustituirse mutuamente. Los

principales minerales son los siguientes: wolframita ((Fe,Mn)WO4) y la Scheelita (CaWO4).

2.9.11 Fosfatos.- Esta clase mineralgica integrada en su mayor parte por fosfatos, es muy numerosa, pero muchos de

sus miembros son tan raros, que no es necesario mencionarlos. De la serie de minerales que se citan a continuacin, el

apatito es el nico que puede ser considerado como corriente.

Tabla 2.13 Fosfatos de mayor inters.


Apatito

Trifilita

Ca5(F,Cl,OH)(PO4)3

Li(Fe,Mn)PO4

Lazulita

Escorzalita

Al2(OH)2(Mg,Fe)(PO4)2

Al2(OH)2(Fe,Mg)(PO4)2


Litiofilita

Monacita

Piromorfita

Vivianita

Li(Mn,Fe)PO4

(Ce,La,Y,Th)PO4

Pb5Cl(PO4)3

Fe3(PO4)2.8H2O

Wavellita

Turquesa

Autunita

Al3(OH)3(PO4)2.5H2O

CuAl6(OH)8(Mg,Fe)(PO4)4.2H2O

Ca(UO2)2(PO4)2.10-12H2O

2.9.12 Silicatos.- La clase de los silicatos es ms importante que cualquier otra, puesto que son silicatos casi un 25% de

los minerales conocidos y cerca del 40% de los minerales corrientes. Con pocas excepciones, todos los minerales que

forman las rocas gneas son silicatos, y stas constituyen ms del 90% de la corteza terrestre.

En la corteza terrestre de cada 100 tomos ms de 60 son de oxgeno, ms de 20 de silicio y de 6 a 7 de

aluminio, correspondiendo unos dos tomos ms, a cada uno de los elementos: hierro, calcio, magnesio, sodio y potasio. As,

podemos imaginar a la corteza terrestre, como un armazn de iones oxgeno, unidos en configuraciones de mayor o menor

complejidad por los iones de silicio y aluminio (ms pequeos y con elevadas cargas). Los intersticios de esta red, ms o

menos continua de oxgeno-silicio-aluminio, estn ocupados por iones magnesio, hierro, calcio, sodio y potasio, en estados

de coordinacin propios de sus radios atmicos.

As, los minerales que predominan en la corteza terrestre son silicatos y xidos, cuyas propiedades dependen de

las condiciones qumicas y fsicas en que fueron originadas.

Tabla 2.14 Clasificacin de los silicatos.

Clase Disposicin de los

tetraedros de SiO4

Proporcin

Si:O

Ejemplos

Neosilicatos

Sorosilicatos

Ciclosilicatos

Inosilicatos

Filosilicatos

Tectosilicatos

Independientes

Parejas

Anillos

Cadenas sencillas

Cadenas dobles

Hojas

Armazones

1:4

2:7

1:3

1:3

4:11

2:5

1:2

Oivino (Mg,Fe)2SiO4

Hemimorfita Zn4(OH)(Si2O7).H2O

Berilo Al2Be3(Si6O18)

Enstatita Mg2(Si2O6)

Tremolita Ca2Mg5(OH)2(Si8O22)

Talco Mg3(OH)2(Si4O10)

Cuarzo SiO2

Debido a la importancia de los silicatos en el procesamiento de los minerales, a continuacin se hace una

descripcin general de cada tipo de ellos(Wilfredo Vera):

i Neosilicatos.- Estn constituidos por tetraedros independientes de SiO44-. No comparten vrtices u oxgenos

con los tetraedros adyacentes, siendo la unin entre ellos a travs de cationes divalentes. Algunas especies

mineralgicas de este grupo son el olivino, granate, zircn. Raramente ocurre una sustitucin isomrfica de Al

por Si, de modo que en trminos generales su frmula corresponde estrictamente a SiO4 o a un mltiplo de ella.

Otra caracterstica notoria de este grupo, es la ausencia de especies con elementos alcalinos en su estructura.

Los nesosilicatos presentan una estructura atmica notoriamente densa y sus propiedades lo reflejan. Son

relativamente duros y salvo algunas excepciones, tienen una densidad mayor que silicatos pertenecientes a otros

grupos. La ausencia de cadenas y lminas en su estructura, se refleja generalmente en la naturaleza

equidimensional de los cristales.

ii Sorosilicatos.- En esta clase dos tetraedros de SiO4 se unen compartiendo un oxgeno, formando grupos

discretos de (Si2O7)6- . En la naturaleza existen unas pocas especies de sorosilicatos simples. Tambin pueden

ocurrir estructuras que contienen grupos de tetraedros dobles y simples independientes y forman el grupo de la

epidota. Debido a que los iones aluminio pueden reemplazar parcialmente al silicio en los tetraedros, la frmula

general para los sorosilicatos es (Si, Al)2O76-. En la estructura de la epidota, existen adems, cadenas de AlO6

9- y

AlO4(OH)27-, generando un exceso de carga negativa que es neutralizada fundamentalmente por Ca, Mg, Fe2+ y Al.

iii Ciclosilicatos.- En esta clase los tetraedros forman una estructura de anillo cerrado. Los tetraedros se unen

compartiendo dos oxgenos, lo que da una frmula general de (SiO3)n2-. Sin embargo, en vez de formar cadenas

rectas, la unin de los tetraedros genera ngulos y finalmente forma una estructura de anillos. Existen pocas

especies mineralgicas de ciclosilicatos, cuyos anillos estn formados por tres y cuatro tetraedros; no obstante,

los de seis tetraedros son abundantes (berilo, turmalina). Anillos formados por cinco o ms seis tetraedros no se

conocen. Todos los nesosilicatos, sorosilicatos y ciclosilicatos se meteorizan fcilmente, de modo que su

presencia en el suelo es limitada. La meteorizacin de stos puede entregar al medio casi todos los cationes

comunes en el suelo, excepto K.


iv Inosilicatos.- En esta clase, los tetraedros de SiO4 se unen entre si, para formar cadenas simples o dobles, de

extensin indefinida. En los inosilicatos de cadena simple (grupo de piroxenos), el tetraedro se une al vecino a

travs de un oxgeno comn, definindose una frmula general (SiO3)2- y los de doble cadena (grupo de los

anfiboles), en la cual dos cadenas simples vecinas unen sus tetraedros por medio de enlaces cruzados, definen

una frmula bsica (Si4O11)6-. Los minerales que pertenecen a ambos grupos tienen estructura y propiedades

qumicas y fsicas muy similares. La unin que existe entre los tetraedros de las cadenas, es ms dbil, que

aquella que mantiene unidos a los tetraedros dentro de la cadena.

Las cadenas de piroxenos estn lateralmente unidas por cationes (Ca, Na, Mg, Fe). Estos minerales tienen alto

contenido de Mg2+ y Fe2+. Sin embargo, la unin entre las cadenas de anfiboles se efecta a travs de planos

formados por estos mismos cationes. En trminos generales, los inosilicatos y en especial los anfiboles, son

frecuentes en suelos no profundamente meteorizados. Tanto anfiboles como piroxenos se encuentran

normalmente slo en la fraccin arena y limo, y no en la fraccin arcilla.

v Filosilicatos.- Estos minerales se forman por polimerizacin en dos dimensiones, uniendo tres vrtices de cada

tetraedro con los vrtices de los vecinos. Esto genera una capa plana de anillos hexagonales de tetraedros, cuya

unidad estructural es (Si4O10)n4-. A su vez, las capas se pueden unir entre si, a travs de cationes (Al, Mg, Fe)

formando enlaces muy fuertes. Las fuerzas de unin dentro de las capas son mayores que las existentes entre

capas, por lo que manifiestan claramente, un clivaje en el plano paralelo a las lminas. En general estos minerales

son blandos, de peso especfico bajo y dentro de ellos se incluyen las micas y los minerales de arcilla, especies

muy frecuentes en los suelos. Por esta razn, los filosilicatos sern tratados separadamente.

vi Tectosilicatos.- En esta clase los tetraedros se unen entre si, formando un armazn tridimensional, donde se

comparten todos sus vrtices, de modo que el grupo estructural queda definido como (SiO2)n. En esta estructura

el oxgeno es compartido por dos tetraedros. Algunos tectosilicatos presentan sustitucin isomrfica (Si por Al),

lo que genera valencias libres que pueden ser neutralizadas por cationes, que en la mayora de los casos es Ca, Na

y K, que se ubican en el interior de las cavidades de la estructura. Dentro de esta clase, se pueden distinguir

otros grupos, segn sea la sustitucin isomrfica y la densidad de la estructura: feldespatos, feldespatoides, zeolitas y slice.

Con respecto a los feldespatos, estos son minerales formadores de rocas igneas primarias y su cristalizacin

est asociada a la cristalizacin del magma. A su vez, la plagioclasa corresponde a la denominacin comn para

feldespatos de sodio y calcio, la proporcin, Ca/Na genera una familia de feldespatos.

2.10 Arcillas(Garca Romero)

Debido a que las arcillas juegan un papel preponderante en los procesos de lixiviacin, dedicaremos esta seccin a

estas especies. El trmino arcilla se considera y se define de diferentes puntos de vista, los que se detallan a

continuacin:

Mineralgicamente engloba a un grupo de minerales (minerales de arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas

propiedades fsico-qumicas dependen de su estructura y de su tamao de grano muy fino (


Mineralgicamente las arcillas son silicatos pertenecientes al grupo de los filosilicatos (tabla 2.13), presentan

una estructura basada en el apilamiento de planos de iones oxgeno e hidroxilos. Los grupos tetradricos (SiO)44-, se unen

compartiendo tres de sus cuatro oxgenos con otros vecinos, formando capas de extensin infinita y frmula (Si2O5)2-, que

constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos. En ellas, los tetraedros se distribuyen formando hexgonos. El

silicio tetradrico puede estar en parte sustituido por Al3+ o Fe3+.

Estas capas tetradricas, se unen a otras octadricas de tipo gibsita (Al2(OH)6) o brucita (Mg3(OH)6). En estas

ltimas, algunos Al3+ o Mg2+, pueden estar sustituidos por Fe2+ o Fe3+ y muy raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn. El plano

de unin entre ambas capas, est formado por los oxgenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir (oxgenos

apicales), y por grupos (OH)- de la capa brucitica o gibsitica, de forma que en este plano, quede un (OH)- en el centro de

cada hexgono formado por 6 oxgenos apicales. El resto de los (OH)- son reemplazados por los oxgenos de los tetraedros

(Figura 2.17).

Una unin similar puede ocurrir en la superficie opuesta de la capa octadrica. As, los filosilicatos pueden estar

formados por dos capas: tetradrica ms octadrica y se denominan bilaminares, 1:1, o T:O; o bien por tres capas: una

octadrica y dos tetradricas, denominndose trilaminares, 2:1 o T:O:T. A la unidad formada por la unin de una capa

octadrica ms una o dos tetradricas se la denomina lmina.

Si todos los huecos octadricos estn ocupados, la lmina se denomina trioctadrica (Mg2+ dominante en la capa

octadrica). Si slo estn ocupadas dos tercios de las posiciones octadricas y el tercio restante est vacante, se

denomina dioctadrica (el Al3+ es el catin octadrico dominante).

En algunos filosilicatos (esmectitas, vermiculitas, micas), las lminas no son elctricamente neutras, debido a las

sustituciones de unos cationes, por otros de distinta carga. El balance de carga se mantiene por la presencia, en el espacio

interlaminar o espacio existente entre dos lminas consecutivas, de cationes (como por ejemplo en el grupo de las micas),

cationes hidratados (como en las vermiculitas y esmectitas) o grupos hidroxilo coordinados octadricamente, similares a

las capas octadricas, como sucede en las cloritas, a stas ltimas tambin se las denomina T:O:T:O o 2:1:1. La unidad

formada, por una lmina ms la interlmina es la unidad estructural. Los cationes interlaminares ms frecuentes son

alcalinos (Na y K) o alcalinotrreos (Mg y Ca).

Las fuerzas que unen las diferentes unidades estructurales, son ms dbiles que las existentes entre los iones

de una misma lmina, por ese motivo los filosilicatos tienen una clara direccin de exfoliacin paralela a las lminas.

Cationes intercambiables

nH2O

Oxigenos Hidroxilos Aluminio, fierro, magnesio

Silicio, ocasionalmente Aly Potasio

Fig. 2.17 Dibujo esquemtico de la estructura de la moscovita.

2.10.2 Clasificacion.- Los filosilicatos se clasifican atendiendo a que sean bilaminares o trilaminares y dioctadricos o

trioctadricos (Tabla siguiente). Como puede verse, pertenecen a los filosilicatos grupos de minerales tan importantes

como las micas y las arcillas.


Tabla 2.15 Clasificacin de los filosilicatos.

DIOCTADRICOS TRIOCTADRICOS CARGA

BILAMINARES

T:O (1:1) CANDITAS

Caolinita

SERPENTINA

Antigorita

X=0 Nacrita Crisotilo

Dickita Lizardita

Halloisita Bertierina

TRILAMINARES

T:O:T (2:1)

Pirofilita Talco X=0

ESMECTITAS

Montmorillonita

ESMECTITAS

Saponita

Beidellita Hectorita X=0.2-0.6

Nontronita

Vermiculitas Versiculitas X = 0,6-0,9

Illitas X=0.9

MICAS Moscovita

MICAS

Biotita

X=1 Paragonita Flogopita

Lepidolita

T:O.T:O (2:1:1) CLORITAS

FIBROSOS Paligorskita FIBROSOS Paligorskita

2.10.3 Propiedades fsico-qumicas.- Las importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales, radican en

sus propiedades fsico-qumicas. Dichas propiedades derivan, principalmente de:

Su tamao de partcula extremadamente pequeo (inferior a 2 m)

Su morfologa laminar (filosilicatos)

Las sustituciones isomrficas, que dan lugar a la aparicin de cargas en las lminas y a la presencia de cationes

dbilmente ligados en el espacio interlaminar.

Como consecuencia de estos factores, las arcillas presentan por una parte, un valor elevado del rea superficial,

y a la vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa con enlaces no saturados. Por ello, pueden interaccionar

con diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plstico en mezclas arcilla-agua,

con elevada proporcin slido/lquido y son capaces en algunos casos de hincharse, con el desarrollo de propiedades

reolgicas en suspensiones acuosas.

Por otra parte, la existencia de carga en las lminas, se compensa como ya se ha citado, con la entrada en el

espacio interlaminar de cationes dbilmente ligados y con estado variable de hidratacin, que pueden ser intercambiados

fcilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solucin saturada en otros cationes, a esta propiedad se la

conoce como capacidad de intercambio catinico y es tambin la base de multitud de aplicaciones industriales.

2.10.4 Superficie especfica.- La superficie especfica o rea superficial de una arcilla, se define como el rea de la

superficie externa, ms el rea de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partculas constituyentes por

unidad de masa, expresada en m2/g. Las arcillas poseen una elevada superficie especfica, muy importante para ciertos

usos industriales, en los que la interaccin slido-fluido depende directamente de esta propiedad. A continuacin se

muestran algunos ejemplos de superficies especficas de arcillas:

Caolinita de elevada cristalinidad hasta 15 m2/g Caolinita de baja cristalinidad hasta 50 m2/g Halloisita hasta 60 m2/g Illita hasta 50 m2/g Montmorillonita 80-300 m2/g Sepiolita 100-240 m2/g Paligorskita 100-200 m2/g

2.10.5 Capacidad de intercambio catinico.- Es una propiedad fundamental de las esmectitas. Esta propiedad, mide la

capacidad de cambiar fcilmente los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios interlaminares

o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes. La capacidad

de intercambio catinico (CEC), se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede

adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas

pueden ser generadas de tres formas diferentes:

Sustituciones isomrficas dentro de la estructura

Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas

Disociacin de los grupos hidroxilos accesibles.


El primer tipo es conocido como carga permanente y supone un 80 % de la carga neta de la partcula; adems es

independiente de las condiciones de pH y actividad inica del medio. Los dos ltimos tipos de origen, varan en funcin del

pH y de la actividad inica, corresponden a bordes cristalinos, qumicamente activos y representan el 20% de la carga total

de la lmina. A continuacin se muestran algunos ejemplos de capacidad de intercambio catinico (en meq/100 g) a pH 7,

aunque se debe aclarar, que este parmetro no tiene porque ser constante y tiene que ser determinado segn las

condiciones experimentales respectivas.

Caolinita: 3-15

Atapulgita: 0-30

Halloisita: 10-40

Illita: 10-50

Clorita: 10-50

Vermiculita: 100-200

Montmorillonita: 80-200

Sepiolita-paligorskita: 20-35

2.10.6 Capacidad de absorcin.- Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicacin, en el sector de los

absorbentes, ya que pueden absorber agua u otras molculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales

estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorcin, est directamente relacionada con las caractersticas

texturales (superficie especfica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difcilmente se dan de

forma aislada: absorcin (cuando se trata fundamentalmente de procesos fsicos como la retencin por capilaridad) y

adsorcin (cuando existe una interaccin de tipo qumico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el lquido o gas

adsorbido, denominado adsorbato).

La capacidad de adsorcin, se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa y depende para una

misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorcin de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con

respecto al peso.

2.10.7 Hidratacin e hinchamiento.- La hidratacin y deshidratacin del espacio interlaminar, son propiedades

caractersticas de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratacin y

deshidratacin ocurren con independencia del tipo de catin de cambio presente, el grado de hidratacin s est ligado a la

naturaleza del catin interlaminar y a la carga de la lmina.

La absorcin de agua, en el espacio interlaminar, tiene como consecuencia la separacin de las lminas dando lugar

al hinchamiento (figura 2.18). Este proceso depende del balance entre la atraccin electrosttica catin-lmina y la

energa de hidratacin del catin. A medida que se intercalan capas de agua y la separacin entre las lminas aumenta, las

fuerzas que predominan son de repulsin electrosttica entre lminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento

pueda llegar a disociar completamente unas lminas de otras. Cuando el catin interlaminar es el sodio, las esmectitas

tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociacin de cristales individuales

de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersin y un mximo desarrollo de propiedades coloidales. Si

por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de intercambio, su capacidad de hinchamiento ser mucho ms reducida. En

la figura 2.19, se muestra el % de humedad retenida de una muestra al aumentar la proporcin de caoln, observndose

claramente el efecto de atrapamiento de humedad del caoln.


Fig. 2.18 Esquematizacin de la absrocin del agua en la estructura de la arcilla.

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100caoln, %

rete

nc

in

de

hu

me

da

d, %

Fig. 2.19 Variacin de la retencin de la humedad en funcin del % de caolin(Arcillas).

2.10.8 Plasticidad.- Las arcillas son eminentemente plsticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una

envoltura sobre las partculas laminares, produciendo un efecto lubricante, que facilita el deslizamiento de unas partculas

sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas.

La elevada plasticidad de las arcillas, es consecuencia nuevamente, de su morfologa laminar, tamao de partcula

extremadamente pequeo (elevada rea superficial) y alta capacidad de hinchamiento.

La relacin existente entre el lmite lquido y el ndice de plasticidad, ofrece una gran informacin sobre la

composicin granulomtrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla. En general, cuanto ms pequeas son las

partculas y ms imperfecta su estructura, ms plstico es el material.

2.10.9 Tixotropa.- La tixotropa, se define como el fenmeno consistente en la prdida de resistencia de un coloide, al

amasarlo, y su posterior recuperacin con el tiempo. Las arcillas tixotrpicas, cuando son amasadas se convierten en un

verdadero lquido. Si a continuacin se las deja en reposo, recuperan la cohesin, as como el comportamiento slido. Para

que una arcilla tixotrpica, muestre este comportamiento especial, deber poseer un contenido en agua prximo a su lmite

lquido. Por el contrario, en torno a su lmite plstico, no existe posibilidad de comportamiento tixotrpico.

2.10.10 Grupos de minerales de la arcilla.- En funcin de la estructura de las capas, las sustituciones inicas y los

elementos presentes en el espacio interlaminar, se distinguen varios grupos de minerales de la arcilla:


i Grupo de la caolinita: Incluye caolinita, dickita, nacrita y haloisita. Son los minerales con mayor contenido en

almina y se caracterizan por su elevada refractariedad, constituyendo la base de las pastas de coccin blanca.

ii Grupo de las esmectitas (o montmorillonita): Abarca minerales de la arcilla de composicin muy variada debido

a la elevada capacidad de intercambo catinico, lo que provoca frecuentes sustituciones de iones en su

estructura, y a la presencia de cationes en el espacio interlaminar. El amplio espacio existente entre las capas

favorece la entrada de lquidos, especialmente de agua, facilitando la dilatacin o hinchamiento de las arcillas.

Esta caracterstica, a pesar de mejorar su plasticidad, ocasiona problemas durante el secado, por riesgo de

agrietamiento de las piezas, por lo que las esmectitas no son aconsejables como materia prima para cermica.

iii Grupo de la ilita: agrupa minerales de estructura similar a las micas, pero con un mayor contenido en agua y con

menos potasio, sustituido en parte por calcio y magnesio. Se caracterizan por sufrir vitrificacin temprana

durante el proceso de coccin. Son un constituyente comn de las pastas empleadas en fabricacin de ladrillos,

tejas y baldosas.

iv Grupo de la clorita: Est formado por filosilicatos de aluminio y magnesio hidratados con cierto porcentaje de

hierro, lo que les confiere un color verdoso. Se usan como materia prima para fabricar piezas de cermica

estructural (ladrillos, tejas y bloques).

v Grupo de los minerales fibrosos (sepiolita y paligorskita): son arcillas con un contenido en dichos minerales

superior al 50%. Tienen hbito fibroso con una enorme rea superficial debida tanto al pequeo tamao de

partcula como la porosidad que presenta su estructura.

2.10.11 Proceso de formacin.- Las arcillas pueden originarse por neoformacin o por transformacin de otros minerales

ya existentes. mbos mecanismos estn condicionados por la influencia del clima, la existencia de actividad geotrmica y

los procesos de diagnesis.

La formacin de arcillas por efecto del clima en las rocas y los suelos es el principal proceso de formacin de

arcillas en la superficie terrestre, e incluye la disgregacin fsica de la roca madre y la descomposicin qumica de sus

minerales. Est determinada por la naturaleza de la roca madre, los parmetros climticos (principalmente temperatura y

pluviosidad), la topografa, la vegetacin, la existencia de actividad biolgica y el periodo de tiempo durante el cual estos

factores operen.

La gnesis de las arcillas es un proceso clave en la formacin de suelos, por ser minerales caractersticos del

mismo. Est ntimamente ligada a reacciones de hidrlisis de rocas que contengan en su composicin silicio y aluminio. Estas

reacciones pueden desarrollarse en el medio hidrotermal (durante la formacin de un depsito mineral), o como procesos

exgenos (bajo condiciones atmosfricas), una vez que las rocas por erosin se encuentran en la superficie o su

proximidad. Se producen debido a que el CO2 disuelto en el agua de lluvia o de los ros forma cido carbnico, que

reacciona con los feldespatos, induciendo la formacin de minerales del grupo de la arcilla. A continuacin se muestran

tres ejemplos de formacin de caolinita, Al2Si2O5(OH)4:

1) Hidrlisis de anortita (plagioclasa clcica):

CaAl2Si2O8 + 2H2CO3 + H2O Ca2+ + 2HCO3

- + Al2Si2O5(OH)4

2) Hidrlisis de la albita (plagioclasa sdica):

2NaAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O 2Na+ + 2HCO3

- + Al2Si2O5(OH)4 + 4H2SiO4

3) Hidrlisis de la ortoclasa (feldespato potsico):

2KAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O 2K+ + 2HCO3

- + Al2Si2O5(OH)4 + 4H2SiO4

Como se ha mencionado anteriormente, el clima, a travs de los parmetros de humedad y temperatura, controla

fuertemente el proceso formador de arcillas a partir de los silicatos (figura 2.20). As, en condiciones de humedad y calor

la hidrlisis dar lugar a arcillas caolinticas, e incluso a un residuo final de gibbsita, Al(OH)3. Por el contrario, en climas

ridos la arcilla predominante resulta ser del tipo illita-esmectita. Debido a la influencia del clima y de la composicin de la

roca madre, los procesos formadores de arcillas son extraordinariamente complejos. En el siguiente cuadro se muestran,

de manera simplificada, distintos tipos de suelos arcillosos que se originaran en diferentes climas.


Figura 2.20. Tipos y espesores caractersticos de suelos formados en las distintas zonas climticas.

Otra va posible de formacin de arcillas es el transporte y posterior sedimentacin de las partculas originadas

tras la erosin de la roca madre por alguno de los mecanismos anteriormente mencionados. Cuando un medio que transporta

partculas pierde energa, estas tienden a depositarse, lo que se conoce como sedimentacin detrtica. Los minerales de la

arcilla, por su pequeo tamao, son transportados en forma de suspensin coloidal, lo que hace que puedan seguir siendo

trasladadas incluso mediante aguas no agitadas. El depsito se produce por el proceso fsico-qumico de floculacin, que

puede tener lugar de forma conjunta y simultnea al depsito de las partculas mayores, o con posterioridad, en zonas ms

tranquilas. En el primer caso se origina la matriz de las rocas detrticas, es decir, la componente intergranular fina,

arcillosa, de los conglomerados y arenas o areniscas, mientras que en el segundo se da origen a las rocas arcillosas (lutitas,

pelitas).

A menudo, estos sedimentos arcillosos contienen minerales de inters minero, que se depositan de manera

conjunta en yacimientos de tipo placer.

En ellos, la separac

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