El proceso de Mond, proceso del carbonilo o proceso de carbonilo es una técnica creada por Ludwig Mond en 1890 para extraer y purificar níquel. Se basa en la conversión reversible del níquel metálico en tetracarbonilo de níquel, un compuesto volátil que puede separarse de numerosas impurezas y descomponerse después para recuperar níquel de elevada pureza.
El proceso comprende tres etapas principales: reducción del óxido de níquel para obtener níquel impuro, reacción de ese níquel con un exceso de monóxido de carbono a baja temperatura para formar tetracarbonilo de níquel y descomposición térmica del carbonilo a una temperatura más alta para depositar níquel puro.
Fundamento químico del proceso de Mond
El proceso se realiza mediante la conversión de los óxidos de níquel, es decir, níquel combinado con oxígeno, en níquel puro. Este proceso hace uso del hecho de que los complejos de monóxido de carbono con níquel para dar carbonilo de níquel son fácilmente reversibles.
Ningún otro elemento forma un compuesto carbonilo en las condiciones suaves utilizadas en este procedimiento. Esta diferencia de comportamiento permite separar el níquel de las impurezas metálicas presentes en el material inicial.
El refinado en fase de vapor es un proceso utilizado para la purificación de metales donde el metal se convierte en su compuesto volátil y luego se descompone para obtener un metal de alta pureza. El níquel s
Purificación del níquel mediante el proceso de Mond
El proceso de Mond, también llamado proceso del carbonilo, es una técnica creada por Ludwig Mond en 1890 para extraer y purificar níquel. Se basa en la conversión reversible del níquel metálico en tetracarbonilo de níquel, un compuesto volátil que puede descomponerse posteriormente para recuperar níquel de elevada pureza.
La purificación aprovecha que el níquel forma con facilidad un carbonilo de monóxido de carbono en condiciones relativamente suaves, mientras que las principales impurezas metálicas, como el hierro y el cobalto, no forman complejos carbonilo en esas condiciones. El proceso consta de tres etapas principales: reducción del óxido de níquel, formación del tetracarbonilo de níquel y descomposición térmica de este compuesto.
Fundamento químico del proceso de Mond
El refinado en fase de vapor es un proceso utilizado para la purificación de metales donde el metal se convierte en su compuesto volátil y luego se descompone para obtener un metal de alta pureza. El proceso Mond para purificar níquel metálico se basa precisamente en la conversión del níquel en su complejo volátil, el carbonilo de níquel.
El níquel impuro reacciona con un exceso de monóxido de carbono para formar tetracarbonilo de níquel, Ni(CO)4. Este compuesto es volátil y puede separarse de las impurezas que permanecen en estado sólido. A una temperatura más elevada, el tetracarbonilo se descompone y deposita níquel metálico, regenerando el monóxido de carbono.
| Especie | Fórmula | Función en el proceso |
|---|---|---|
| Níquel metálico | Ni | Forma el compuesto volátil con monóxido de carbono |
| Monóxido de carbono | CO | Reactivo y transportador químico del níquel |
| Tetracarbonilo de níquel | Ni(CO)4 | Compuesto volátil intermedio |
| Níquel purificado | Ni | Producto obtenido por descomposición térmica |
Etapas del proceso de Mond
1. Reducción del óxido de níquel
El tratamiento del níquel se basa habitualmente en tratar los sulfuros de níquel mediante una tostación al aire para obtener NiO. Este óxido se reduce con carbón para obtener níquel metálico.
En la primera etapa del proceso de Mond, el óxido de níquel reacciona con gas de síntesis a 200 °C para eliminar el oxígeno y producir níquel impuro. Las impurezas incluyen hierro y cobalto.
La reacción de reducción puede representarse de la siguiente manera:
NiO (s) + H2 (g) → Ni (s) + H2O (g)
El producto de esta operación no es todavía níquel de alta pureza, porque conserva los elementos asociados al mineral de partida y a las etapas metalúrgicas anteriores. Sin embargo, contiene níquel metálico suficiente para someterlo al tratamiento selectivo con monóxido de carbono.
2. Formación del tetracarbonilo de níquel
El níquel impuro se hace reaccionar con un exceso de monóxido de carbono a 50-60 °C para formar carbonilo de níquel. No se forman estos complejos en las otras impurezas metálicas.
La reacción principal es:
Ni (s) + 4 CO (g) → Ni(CO)4 (g)
En otras representaciones del proceso se indica que el níquel reacciona con monóxido de carbono a una temperatura aproximada de 330-350 K para formar tetracarbonilo de níquel. Estas temperaturas corresponden aproximadamente al intervalo en el que el carbonilo se forma con facilidad a presión atmosférica.
El tetracarbonilo de níquel es un compuesto volátil, mientras que el hierro, el cobalto y otras impurezas permanecen sin transformarse en las condiciones utilizadas. Esta diferencia de comportamiento permite separar químicamente el níquel de una parte importante de los componentes acompañantes.
3. Descomposición térmica del carbonilo
La mezcla de monóxido de carbono y el exceso de carbonilo de níquel se calienta a 220-250 °C. Durante el calentamiento, el tetracarbonilo de níquel se descompone para producir níquel puro.
La reacción de descomposición es:
Ni(CO)4 (g) → Ni (s) + 4 CO (g)
En otra descripción del proceso se indica una temperatura más elevada, alrededor de 450-470 K, para provocar la descomposición del tetracarbonilo y obtener níquel puro y gas monóxido de carbono. Las condiciones concretas de temperatura dependen del diseño del proceso y de la forma de deposición deseada.
El monóxido de carbono liberado puede volver a intervenir en la formación del carbonilo, mientras que el níquel queda depositado como metal de alta pureza. De esta forma, el proceso utiliza una reacción reversible para transportar temporalmente el níquel desde el material impuro hasta la zona de descomposición.
Relación estequiométrica entre níquel y monóxido de carbono
En la formación del tetracarbonilo de níquel, un mol de níquel reacciona con cuatro moles de monóxido de carbono:
Ni + 4CO → Ni(CO)4
El níquel tiene una masa molar de 58,7 g/mol y el monóxido de carbono tiene una masa molar de 28,01 g/mol. Para un kilogramo de níquel, la cantidad de sustancia de níquel es:
1 kg de níquel = 1000 g
58,7 g/mol × (1000 g / 58,7 g/mol) = 1000 g
Según la ecuación balanceada, se requieren 4 moles de CO por cada mol de Ni. Por lo tanto, se necesitan 4 moles de CO para reaccionar con 1 mol de Ni.
La masa de monóxido de carbono correspondiente es:
4 moles de CO × 28,01 g/mol = 112,04 g de CO
| Magnitud | Valor |
|---|---|
| Masa de níquel considerada | 1 kg |
| Masa molar del níquel | 58,7 g/mol |
| Masa molar del monóxido de carbono | 28,01 g/mol |
| Relación molar Ni:CO | 1:4 |
| Monóxido de carbono consumido | 112,04 g |
Por tanto, se consumen 112,04 g de monóxido de carbono por kilogramo de níquel, considerando la estequiometría ideal de la reacción de formación del tetracarbonilo.
Separación del níquel frente a las impurezas
La utilidad del proceso de Mond depende de la formación selectiva del carbonilo de níquel. El hierro y el cobalto pueden estar presentes en el níquel impuro, pero no forman complejos carbonilo en las condiciones suaves utilizadas en este procedimiento.
Esta selectividad permite que el níquel pase a la fase gaseosa como Ni(CO)4, mientras que las impurezas permanecen en el residuo sólido. Después, la descomposición térmica del carbonilo devuelve el níquel a la fase sólida en forma purificada.
La purificación no consiste únicamente en calentar el níquel impuro, sino en aprovechar una diferencia de reactividad y volatilidad entre el níquel y los elementos acompañantes. El níquel se transforma en una especie molecular volátil, se transporta mediante la corriente gaseosa y se deposita posteriormente en otra zona del equipo.
Condiciones de operación
| Etapa | Reactivo o condición principal | Temperatura indicada | Producto |
|---|---|---|---|
| Reducción | Gas de síntesis | 200 °C | Níquel impuro |
| Carbonilación | Exceso de monóxido de carbono | 50-60 °C | Tetracarbonilo de níquel gaseoso |
| Descomposición | Calentamiento del tetracarbonilo | 220-250 °C | Níquel puro y monóxido de carbono |
La formación del carbonilo se realiza a una temperatura mucho menor que su descomposición térmica. Esta diferencia permite controlar el sentido práctico del ciclo: a baja temperatura se favorece la conversión del níquel en tetracarbonilo, y a temperatura elevada se favorece la ruptura del compuesto y la deposición del metal.
Deposición y productos obtenidos
La descomposición puede manipularse para producir polvo de níquel, pero más comúnmente se recubre un sustrato existente. Por ejemplo, los pellets de níquel se fabrican dejando caer pequeñas bolitas a través del gas caliente de carbonilo, lo que deposita una capa de níquel sobre los gránulos.
La deposición controlada permite obtener níquel en forma de polvo, gránulos o recubrimientos. La velocidad de deposición y la temperatura de la superficie influyen en la estructura y en la adherencia de la capa metálica.
Este proceso también se ha utilizado para el recubrimiento de níquel sobre otros metales, cuando una forma compleja o la existencia de huecos y esquinas hace difícil conseguir buenos resultados mediante galvanoplastia.
La deposición desde la fase gaseosa puede alcanzar zonas internas o geometrías que resultan difíciles de recubrir de manera uniforme por métodos electroquímicos. Por este motivo, el proceso de Mond no solo tiene interés como técnica de refinado, sino también como método de obtención de polvos y recubrimientos de níquel.
Importancia metalúrgica del níquel
El cobalto y el níquel se encuentran asociados mutuamente en la naturaleza en un gran número de yacimientos. La minería de estos metales, junto con otros elementos tecnológicamente asociados a los avances electrónicos y especialmente al campo de las baterías, la acumulación de energía y la disminución del volumen de estos elementos indispensables en móviles, ordenadores, vehículos híbridos y vehículos eléctricos, está volviéndose a activar para garantizar suministros crecientes.
Los procesos asociados a estos tratamientos extractivos han de evolucionar y, a partir de tecnologías optimizadas, hacer frente a yacimientos con leyes inferiores. El cobalto y el níquel son dos elementos que adquieren importancia en las nuevas tecnologías, especialmente en las que tienen una vinculación energética.
Aproximadamente el 65% del níquel se utiliza en la fabricación de acero inoxidable austenítico y otro 21% en la fabricación de superaleaciones. El resto se utiliza para la fabricación de otras aleaciones, como Alnico, mu-metales, monel y nitinol, además de catalizadores.
Los minerales fuente de níquel incluyen la millerita, NiS, aunque también existen depósitos de NiSb, NiAs2, NiAsS o NiSbS y garnierita, Si4O13[Ni, Mg]2·2 H2O. Los depósitos más importantes desde un punto de vista comercial son los de garnierita, que es un silicato de magnesio y níquel de composición variable y está combinado con la pirrotina, (FenSn+1), que contiene de un 3 al 5 % de níquel.
También se encuentra níquel procedente de meteoros aleado con el hierro. Canadá, Cuba y Rusia producen el 70% del níquel en el mundo, mientras que Bolivia, Colombia y Nueva Caledonia tienen también importantes yacimientos.
Preparación del níquel a partir de minerales
El níquel se encuentra en la naturaleza normalmente combinado con el arsénico, el antimonio y el azufre como sulfuro. El tratamiento inicial de los minerales puede incluir trituración y concentración mediante flotación o gravedad.
Las partes enriquecidas en níquel, cobalto y, a menudo, hierro se mezclan con coque metalúrgico. Este coque se obtiene a partir del carbón bituminoso en hornos con atmósfera libre de oxígeno, retirando el contenido volátil y obteniendo un carbón poroso apto para estos tratamientos metalúrgicos.
La mezcla de la mena se realiza con óxido de calcio y sílice, produciendo una escoria. Este procedimiento permite separar la plata, una mezcla de materiales ricos en cobre, níquel y cobalto y un residuo escorificable.
La mezcla rica en cobre, níquel y cobalto es lo que técnicamente se llama “speiss”. El recorrido de esta mezcla hasta el estado puro del metal es un proceso complejo.
El proceso de Mond dentro de la metalurgia del níquel
En general, el tratamiento de níquel se basa en tratar los sulfuros de níquel mediante una tostación al aire para obtener NiO. Este se reduce con carbón para obtener níquel metálico.
La purificación del níquel se realiza mediante el monóxido de carbono, que se combina con el níquel impuro a 50 °C y presión atmosférica. En condiciones más complejas también puede reaccionar una mezcla de níquel y cobre, obteniéndose Ni(CO)4, que es volátil.
Por descomposición térmica a 200 °C se recupera el níquel puro con una elevada pureza. Esta descripción resume la función del proceso de Mond como etapa de refinado posterior a la obtención de níquel metálico a partir de minerales o concentrados.
Comparación con otros procesos de obtención y purificación
Cuando se habla de la metalurgia del níquel y del cobalto, se han de diferenciar distintos tipos de yacimientos. Los yacimientos lateríticos limoníticos son suelos situados en regiones cálidas que se caracterizan por una baja concentración de sílice y un alto contenido en óxidos.
Estos materiales se tratan habitualmente con métodos hidrometalúrgicos, como el proceso CARON, basado en lixiviación generada por carbonato de amonio, y el proceso PAL, basado en lixiviación ácida de alta presión.
El proceso metalúrgico PAL implica el precalentamiento del mineral y la lixiviación con ácido sulfúrico concentrado a altas temperaturas y presiones. Las especies químicas de níquel y cobalto se transforman mediante un proceso químico hidrometalúrgico en sales de sulfato solubles y se recuperan de la disolución en un circuito de decantación a contracorriente.
El circuito de decantación a contracorriente implica lavar el residuo y recuperar el níquel y el cobalto solubles. El ácido restante se neutraliza usando una suspensión de carbonato cálcico, que produce un precipitado de sulfato de calcio.
Se puede inyectar sulfuro de hidrógeno para precipitar níquel y otros sulfuros. A partir de esto, hay una lixiviación posterior para eliminar el hierro y el cobre y, finalmente, la precipitación de níquel mediante la adición de amoníaco, sulfato de amonio e hidrógeno.
Proceso Sherrit-Gordon
Uno de los procesos más utilizados para tratar “speiss” de níquel y cobalto es el proceso Sherrit-Gordon Mines Ltd. de Fort Saskatchewan, Alberta, Canadá.
Los procesos de la metalurgia del níquel y el cobalto empiezan con el tratamiento inicial del mineral, reconcentrándolo a través de la trituración y la flotación o gravedad y obteniendo un “speiss” rico en cobalto y níquel.
El proceso comienza introduciendo el mineral asociado básicamente a sulfuro en un reactor con ácido sulfúrico y aire a presión. En este procedimiento se eliminan los sulfuros, obteniéndose sulfato de níquel (II) y sulfato de cobalto (II) en disolución.
NiS + 2O2 ⟶ NiSO4
CoS + 2O2 ⟶ CoSO4
El proceso de lixiviación tiene lugar con NH3, se ajusta el pH y se produce una primera precipitación del hierro.
NH3 + H2O ⟶ NH4OH
Fe3+ + OH− ⟶ Fe(OH)3
Se produce la precipitación del Fe3+ en forma de Fe2O3 y del SiO2. El hierro suele estar asociado a los sulfuros de cobalto y níquel y es preciso separarlo.
Regulando el pH a valores cercanos a 7 se produce su deposición. Posteriormente, en las mismas condiciones de aire a presión y amoníaco, se produce la oxidación de Co2+ a Co3+.
En el siguiente paso se añade ácido sulfúrico, de forma que se produce sulfato de níquel y amonio, NiSO4(NH4)2SO4·H2O. Esta sal tiene una coloración verde y es poco soluble en agua, de forma que se favorece la precipitación.
En este paso se procede a evaporar y cristalizar esta sal de forma repetida para aumentar la pureza de los cristales. Estos cristales de sulfato doble de níquel y amonio son tratados con una solución concentrada de NaOH, de forma que se obtiene Ni(OH)2.
El hidróxido de níquel se disuelve con ácido sulfúrico y se obtiene sulfato de níquel, que por electrólisis permite la reducción del Ni2+ a Ni0. Las disoluciones de sulfato de amonio permiten la recuperación del amoníaco por stripping.
Finalmente, la disolución líquida que contiene [Co(NH3)6]3+ se reduce de Co3+ a Co2+ mediante polvo de Co0, es decir, cobalto metálico. Finalmente, mediante hidrógeno se produce la reducción del Co2+ a Co0, obteniéndose polvo de cobalto metálico.
Proceso de cloruración del níquel
En la actualidad, las grandes menas de cobalto y níquel están en proceso de franco agotamiento y las principales menas de estos dos metales están constituidas por leyes menores y concentraciones minerales formadas por diferentes metales.
Esto obliga en cada caso a modificar los procesos extractivos de tratamiento del mineral. En este sentido, en el caso de “speiss” de cobalto y níquel con baja ley se procede con tratamiento en medio clorado.
Co2+ + Cl2 + ZnO, pH 4 ⟶ Co3+
Ni2+ + Cl2 + ZnO, pH 4 ⟶ Ni3+
Controlando adecuadamente el pH y el potencial de reducción, especialmente a pH básico de acuerdo con el diagrama de distribución de especies químicas, el Ni(II) se puede mantener en disolución y precipitar el Co(OH)3.
Mediante calcinación se puede transformar el hidróxido de cobalto en óxido de cobalto. Este óxido de cobalto (III) puede estar impurificado con óxido de zinc, por lo cual deberá ser tratado a un pH débilmente ácido y separado convenientemente del cobalto.
Finalmente, el hidróxido de cobalto puede transformarse por calcinación en óxido de cobalto (III).
Extracción mediante formación de quelatos
Otro de los métodos más utilizados para el tratamiento de mezclas metálicas concentradas es el tratamiento con agentes extractantes.
En este proceso se trata una disolución concentrada por lixiviación ácida con ácido sulfúrico, que contiene especies como níquel, cobre y hierro. En primer lugar se trata la elevada concentración de ácido sulfúrico con amina, con objeto de reducir su concentración.
En una segunda fase se produce el ajuste del pH a un valor entre 3 y 4, lo que facilita la precipitación del hierro. En disolución se mantienen el cobre y el níquel.
Mediante un disolvente se extrae el cobre. Los tipos de disolvente utilizados en este proceso son sustancias orgánicas como las oximas, el dietilditiocarbamato, los butilacetatos y las cetoximas.
Estos disolventes forman quelatos con la especie metálica en cuestión, en este caso el cobre, y permiten su paso a la fase orgánica formando un compuesto organometálico.
La fase acuosa se enriquece con NaCN con objeto de facilitar la formación de complejos del níquel en la fase acuosa y acentuar la diferencia entre las dos fases, de forma que las dos especies queden estabilizadas en sus fases respectivas.
Una vez separadas las disoluciones de níquel y cobre, se pueden recuperar los metales por recuperación electrolítica.
Ventajas y limitaciones del proceso de Mond
Ventajas
- El níquel se transforma en un compuesto volátil y puede separarse de impurezas que no forman carbonilos en las mismas condiciones.
- La reacción de formación y la descomposición del tetracarbonilo permiten transportar químicamente el níquel entre dos zonas del proceso.
- El método puede producir níquel de elevada pureza.
- La descomposición puede controlarse para obtener polvo de níquel o recubrir un sustrato metálico.
- Puede utilizarse para recubrir superficies complejas, huecos y esquinas donde la galvanoplastia puede presentar dificultades.
- El monóxido de carbono se libera durante la descomposición del carbonilo y puede participar nuevamente en la etapa de carbonilación.
Limitaciones
Aunque los resultados son buenos, la elevada toxicidad del carbonilo de níquel y del monóxido de carbono hace que este método no sea práctico como proceso industrial generalizado.
El tetracarbonilo de níquel es un compuesto volátil y altamente tóxico, mientras que el monóxido de carbono también presenta una elevada peligrosidad por inhalación. Por ello, la operación requiere un control estricto de las corrientes gaseosas, de la estanqueidad del equipo y de la descomposición completa del carbonilo.
En su lugar se emplea el método de niquelado electrolítico. Este método pertenece a una familia de técnicas de recubrimiento y recuperación electroquímica que evita utilizar el ciclo de carbonilación del níquel.
3. Explica el proceso de Mond para refinar níquel | Química 12º grado, preguntas importantes de d...
Aplicaciones del níquel obtenido
El níquel purificado se utiliza principalmente en la fabricación de acero inoxidable austenítico y superaleaciones. También se emplea en otras aleaciones, como Alnico, mu-metales, monel y nitinol, además de catalizadores.
El interés por la purificación del níquel se relaciona con sus propiedades metálicas, su resistencia a la corrosión y su participación en materiales destinados a trabajar a temperaturas elevadas o en condiciones de desgaste.
El níquel también aparece asociado a tecnologías electrónicas, sistemas de acumulación de energía, vehículos híbridos y vehículos eléctricos. Esta importancia tecnológica impulsa la búsqueda de procesos capaces de tratar minerales de menor ley y mezclas metálicas complejas.
Seguridad en el manejo de los reactivos
La elevada toxicidad del carbonilo de níquel y del monóxido de carbono constituye la principal limitación práctica del proceso de Mond. La formación del Ni(CO)4 debe realizarse en sistemas cerrados y bajo condiciones cuidadosamente controladas.
La descomposición térmica debe garantizar que el tetracarbonilo se convierta en níquel y monóxido de carbono antes de que las corrientes gaseosas abandonen la zona de reacción. La recuperación y el control del gas son elementos esenciales para evitar la exposición a compuestos tóxicos.
La elección entre el proceso de Mond, el niquelado electrolítico y los procesos hidrometalúrgicos depende de la composición del mineral, del tipo de producto requerido, de la presencia de impurezas y de las condiciones de seguridad disponibles.
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