Chimica – le miniere di rame

Chimica – Le miniere di rame (14-16 anni)

1. Introduzione

L’estrazione dei metalli

I metalli sono spesso presenti sotto forma di composti nei rispettivi minerali metallici. Per minerale metallico si intende una roccia o un minerale contenente una quantità di metallo sufficiente a renderne conveniente l’estrazione. Nel caso del rame, l’estrazione conviene in presenza di circa 2 Kg di rame ogni 1000 Kg di minerale.

L’estrazione del rame

Il rame viene raffinato a partire da minerali che si estraggono in tutti i continenti; I cinque paesi produttori più importanti sono il Cile, gli Stait Uniti, il Perù, l’Australia e la Russia. Anticamente le più famose miniere erano localizzate nell’isola di Cipro e in Italia gli Etruschi sfruttavano le Colline Metallifere.

I principali minerali di rame sono:

  • calcopirite
  • bornite
  • bornite

I minerali sono estratti mediante tecniche minerarie tradizionali (miniera a cielo aperto o sotterranea) o mediante lisciviazione. Il rame viene quindi recuperato con tecniche fisiche e chimiche.

Di seguito esamineremo i metodi per l’estrazione ed il recupero del rame dai suoi minerali.

2. Le fasi produttive

I minerali di rame sono presenti nell’intera crosta terrestre. Si ritrovano in rocce sia sedimentarie che eruttive. I 10km più esterni della crosta terrestre contengono 33g di rame per ogni tonnellata di roccia. Questa quantità non è di per sé sufficiente a rendere commercialmente conveniente l’estrazione della roccia. Le miniere di rame vengono aperte soltanto quando sono presenti più di 5kg di rame per ogni tonnellata di roccia (0,5% sulla massa). Idealmente, questo valore dovrebbe avvicinarsi al 2%.

  • Estrazione: Il minerale viene rimosso dal terreno da miniere a cielo aperto o sotterranee.
  • Il minerale metallico: Il minerale è una roccia contenente una quantità di metallo sufficiente a rendere conveniente l’estrazione del metallo. I principali minerali di rame sono calcopirite, bornite e malachite.
  • Frantumazione: Il minerale metallico viene frantumato e quindi polverizzato.
  • Concentrazione: Il minerale viene arricchito utilizzando un processo denominato flottazione con schiuma. Il materiale indesiderato (la ganga) si deposita sul fondo e viene rimosso.
  • Arrostimento: In questo stadio hanno inizio le reazioni chimiche. Il minerale, polverizzato ed arricchito, viene riscaldato in aria tra i 500 e i 700 °C per rimuovere lo zolfo ed asciugare il minerale, che è ancora un solido chiamato calcina.
  • Fusione con fondenti: Il flusso è una sostanza che si addiziona al minerale per farlo fondere più facilmente. Il calcinato viene portato a 1200°C e fatto fondere. Alcune impurità vengono rimosse formando la cosidetta metallina (mix di rame liquido e solfuro di ferro).
  • Conversione della metallina: Viene introdotta aria nella metallina liquida per ottenere il rame blister (la cui superficie presenta come delle “bolle”).
  • Colata degli anodi: Il rame blister viene colato in anodi per la raffinazione elettrolitica.
  • Raffinazione elettrolitica: Il rame viene purificato fino al 99,99% mediante elettrolisi. E’ una versione su larga scala di un esperimento scolastico da laboratorio.

3. Dal minerale al rame

Finora abbiamo presentato le fasi principali della produzione del rame. Ora esamineremo le fasi che precedono le reazioni chimiche.

Estrazione

  • Per l’estrazione del rame dal suo minerale è possibile utilizzare:1. Tecniche minerarie tradizionali 
    Miniera sotterranea: Scavo verticale nel terreno fino ad una profondità appropriata e realizzazione di gallerie orizzontali nel minerale metallico.
  • Miniera a cielo aperto: Il 90% del minerale viene estratto utilizzando questo metodo. I minerali vicino alla superficie possono essere estratti dopo la rimozione degli strati superficiali.

Lisciviazione:

Il minerale viene trattato con acido solforico diluito, che penetra lentamente nel minerale dissolvendo il rame e formando solfato rameico. Il rame viene successivamente recuperato mediante raffinazione elettrolitica. Questo processo offre i seguenti vantaggi:

  • utilizzo di una quantità di energia nettamente inferiore rispetto ai metodi minerari tradizionali;
  • nessun rilascio di gas residui;
  • questo metodo è utilizzabile su minerali contenenti anche soltanto lo 0,1% di rame – per questa ragione l’estrazione mediante lisciviazione sta diffondendosi rapidamente.

Che cosa contengono i minerali di rame?

Nel mondo esistono numerosi tipi di minerali di rame. Circa l’80% di tutto il rame estratto proviene da minerali a base di solfuri.

Un minerale tipico contiene soltanto dallo 0,5% al 2,0% di rame. Questa percentuale indica il valore del rame che vale la pena estrarre da concentrazioni così ridotte. Il minerale metallico si presenta come una miscela di minerali e roccia (denominata ganga). I minerali di rame più comuni sono:

Minerale Formula Aspetto % di rame contenuta nel minerale
Cuprite Cu2O Rosso, argilloso 89
Calcocite Cu2S Grigio scuro, metallico 80
Bornite Cu5FeS4 Marrone oro, metallico 63
Malachite CuCO3Cu(OH)4 Verde brillante, argilloso 58
Azzurite 2CuCO3Cu(OH)4 Blu, vetroso 55
Calcopirite CuFeS2 Giallo oro, metallico 35

La prima fase consiste nella rimozione fisica della ganga.

Concentrazione del minerale metallico

flottazione

Il minerale metallico viene frantumato, polverizzato e quindi arricchito (concentrato) mediante flottazione con schiuma.

Il minerale polverizzato viene miscelato con uno speciale olio paraffinico che rende le particelle del minerale di rame idrorepellenti. In seguito viene introdotto in un bagno d’acqua contenente un agente schiumogeno che produce numerose bolle.

Quando il bagno viene esposto a getti d’aria, le particelle del minerale di rame idrorepellenti vengono raccolte dalle bolle di schiuma. Queste particelle galleggiano raggiungendo la superficie e dando vita ad uno strato schiumoso. La roccia indesiderata (ganga) si deposita sul fondo e viene quindi rimossa.

flottazione_arricchimento

La schiuma viene prelevata dalla superficie ed il minerale arricchito (principalmente il minerale di rame) viene raccolto per la successiva fase di arrostimento. La miscela di acqua, agente schiumogeno e paraffina viene quindi riciclata.

Al termine di questa fase, il minerale arricchito contiene circa il 25% di rame in peso.

4. Chimica del processo produttivo

In questa parte del processo hanno inizio le reazioni chimiche. Queste reazioni convertono i minerali di rame nel metallo rame.

Per illustrare questi processi utilizzeremo come esempio la calcopirite – CuFeS2. Dalla formula si evince chiaramente che il ferro e lo zolfo devono essere rimossi per ottenere il rame.

Arrostimento

Nel processo di arrostimento, si trasforma parzialmente la CuFeS2 in ossido di rame e si elimina parzialmente lo zolfo come biossiso di zolfo. A tale scopo il minerale concentrato proveniente dalla flottazione con schiuma viene riscaldato in aria fino ad una temperatura compresa fra 500 °C e 700 °C. Il prodotto che esce dallo stadio di arrostimento è denominato calcina. Si tratta di una miscela solida di ossidi, solfuri e solfati. Una delle reazioni che si verificano è la seguente:

2CuFeS2(s) + 3O2(g) → 2FeO(s) + 2CuS(s) + 2SO2(g)

Poiché l’SO2 è pericoloso, deve essere rimosso dai gas rilasciati nell’ambiente. Una soluzione a questo problema consiste nel convertirlo in acido solforico, che è un sottoprodotto utile che contribuisce a compensare i costi dell’estrazione del rame.

Fusione con fondenti

Il calcinato viene riscaldato fino ad oltre 1200 °C con fondenti come la silice ed il calcare. Il calcinato fonde e reagisce con i fondenti. Alcune impurità formano scorie che galleggiano sulla superficie del liquido (come l’olio nell’acqua) e che sono facilmente asportabili.

Esempio:

FeO(s) + SiO2(s) → FeO.SiO2(l)

Questa procedura è molto simile alla rimozione delle impurità in altoforno. Il liquido residuo è una miscela di solfuri di rame e solfuri di ferro, denominata metallina.

Conversione della metallina in rame blister

La metallina liquida viene ossidata con l’aria per ottenere il rame blister in un convertitore. Le reazioni sono le seguenti:

a) Eliminazione del solfuro di ferro mediante ossidazione in ossido di ferro, che forma uno strato di scorie:

2FeS(l) + 3O2(g) + SiO2(l) → 2FeO.SiO2(l) + 2SO2(g)

b) Formazione di rame blister mediante riduzione del solfuro rameico:

Cu2S(l) + O2(g) → 2Cu(l) + SO2(g)

Il rame blister ricavato da questo processo è rame puro al 99%. La definizione rame ‘blister’ (che in inglese significa ‘bolla’) deriva dal fatto che questo processo finale produce bolle di biossido di zolfo sulla superficie del rame. Il rame blister viene colato in anodi pronti per la raffinazione elettrolitica.

5. Elettrolisi

Il rame blister viene colato in grandi piastre che vengono successivamente utilizzate come anodi nelle vasche di elettrolisi. La raffinazione elettrolitica del rame produce il rame di alta qualità ed elevata purezza richiesto dall’industria.

Elettrolisi

Probabilmente avrete già eseguito questo processo nel vostro laboratorio scolastico.

Nell’industria questo processo viene eseguito su larga scala. Anche il miglior metodo chimico non è in grado di rimuovere tutte le impurità dal rame, ma con la raffinazione elettrolitica è possibile ottenere un rame puro al 99,99%.

Gli anodi di rame blister vengono immersi in un elettrolita contenente solfato di rame ed acido solforico. I catodi in rame puro sono disposti fra gli anodi in rame blister e la soluzione viene attraversata da una corrente superiore a 200A.

Cosa accade nel processo di elettrolisi?

In queste condizioni, gli atomi di rame si scindono dall’anodo impuro formando ioni rame. Questi ioni migrano verso i catodi, dove si ridepositano come atomi di rame puro.

A livello dell’anodo: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-

Al livello del catodo: Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

Si tratta della stessa reazione che probabilmente avrete già eseguito nel vostro laboratorio scolastico.

Elettrolisi da laboratorio

Quando chiudiamo l’interruttore del circuito, gli ioni rame sull’anodo cominciano a muoversi attraverso la soluzione raggiungendo il catodo. Gli atomi di rame hanno già ceduto due elettroni, diventando ioni, ed i loro elettroni sono ora liberi di muoversi nel circuito.

La cella spinge gli ioni dall’anodo al catodo. Allo stesso tempo, spinge gli elettroni liberi nel circuito (questi elettroni sono già distribuiti lungo i fili). Gli elettroni nel catodo si ricombinano con gli ioni rame provenienti dalla soluzione, formando un nuovo strato di atomi di rame.

Gradualmente, l’anodo si erode ed il catodo cresce. Le impurezze insolubili nell’anodo si depositano sul fondo. Questo sottoprodotto prezioso viene rimosso.

Cosa accade alle impurezze?

L’oro, l’argento, il platino e lo stagno sono insolubili in questo elettrolita e quindi non si depositano sul catodo. Essi formano una ‘fanghiglia’ (i fanghi anodici) che si raccoglie sotto gli anodi.

Le impurità solubili del ferro e del nichel, al contrario, si dissolvono nell’elettrolita, che deve essere continuamente purificato per impedire che si depositino sui catodi, riducendo la purezza del rame.

Recentemente i catodi in acciaio inox hanno sostituito i catodi in rame. Le reazioni chimiche sono identiche. Periodicamente i catodi vengono rimossi asportando il rame puro.