El sodio juega un papel importante en la purificación de metales, especialmente en la producción de titanio metálico de alta pureza a través del proceso Hunter. Este proceso es una de las dos principales técnicas industriales para obtener titanio metálico a partir de su mineral, siendo el otro el proceso Kroll, que emplea magnesio.
Proceso Hunter
El proceso Hunter, desarrollado en 1910 por Matthew A. Hunter, utiliza sodio como agente reductor para purificar el titanio. Los pasos principales son los siguientes:
- Producción de tetracloruro de titanio (TiCl₄). Se comienza con la ilmenita (FeTiO₃) o el rutilo (TiO₂), que son minerales que contienen titanio. Estos minerales se cloran para producir tetracloruro de titanio (TiCl₄), un líquido volátil.
- Reducción del TiCl₄ con sodio. El TiCl₄ se reduce utilizando sodio metálico a alta temperatura (entre 500°C y 700°C). La reacción es la siguiente: TiCl₄ + 4 Na ⟶ 4 NaCl + Ti. En esta reacción, el sodio actúa como agente reductor, cediendo electrones al TiCl₄, que se convierte en titanio metálico. El subproducto de la reacción es cloruro de sodio (NaCl).
- Aislamiento del titanio. El titanio producido es un polvo metálico que se recolecta y purifica. El NaCl se separa mediante técnicas como lavado con agua.
El sodio es un agente reductor fuerte y eficiente, capaz de reducir TiCl₄ a Ti metálico a temperaturas relativamente bajas. El titanio obtenido por el proceso Hunter es de alta pureza, lo que es crítico en aplicaciones aeroespaciales y en la fabricación de componentes que requieren un metal de alta calidad. No obstante, es un proceso caro, por lo que fue sustituido por el más económico método de Kroll.
Proceso Kroll
El proceso Kroll es el método principal utilizado a nivel industrial para la producción de titanio metálico a partir de sus minerales, y ha sido la técnica predominante desde su desarrollo en la década de 1940. Este proceso, inventado por el químico luxemburgués William J. Kroll, superó al proceso Hunter en términos de eficiencia y escalabilidad, lo que permitió la producción masiva de titanio a nivel mundial. Las etapas de este proceso son las siguientes.
- Preparación del mineral. El proceso Kroll comienza con la extracción del mineral de titanio, que generalmente es rutilo (TiO₂) o ilmenita (FeTiO₃). El mineral se purifica y se convierte en un material adecuado para la cloración.
- Cloración del mineral. El mineral purificado se mezcla con coque (carbón) y se clora a altas temperaturas (alrededor de 900-1000°C) en un reactor especial para producir tetracloruro de titanio (TiCl₄). La reacción general es: TiO₂ + 2 Cl₂ + 2 C ⟶ TiCl₄ + 2 CO. El TiCl₄ es un líquido volátil que se purifica mediante destilación para eliminar impurezas.
- Reducción del TiCl₄. El paso clave del proceso Kroll es la reducción del TiCl₄ utilizando magnesio metálico (Mg) como agente reductor. Esta reducción se realiza en un reactor de acero hermético y a una temperatura de alrededor de 800-900°C. La reacción es la siguiente: TiCl₄ + 2 Mg ⟶ Ti + 2 MgCl₂. Aquí, el TiCl₄ se reduce a titanio metálico, mientras que el magnesio se oxida para formar cloruro de magnesio (MgCl₂).
- Recolección y purificación del titanio. El titanio producido en esta etapa no es un metal puro sólido, sino una esponja de titanio, llamada así por su estructura porosa. La esponja de titanio contiene residuos de cloruro de magnesio (MgCl₂) y magnesio no reaccionado. Para purificar la esponja, se la somete a un proceso de lixiviación y lavado con ácidos para eliminar el MgCl₂ residual. Luego, la esponja se funde en un horno de vacío para producir lingotes de titanio puro.
- Producción de productos finales. Los lingotes de titanio obtenidos a partir del proceso Kroll se procesan mediante métodos convencionales de metalurgia, como forjado, laminado o extrusión, para fabricar productos como placas, barras, láminas y piezas estructurales.
Las ventajas del proceso Kroll son la escalabilidad (es adecuado para la producción a gran escala de titanio metálico, lo que ha permitido satisfacer la demanda global) y la economía, pues a pesar de ser un proceso intensivo en energía, es más económico que el proceso Hunter, particularmente en términos de costo de los reactivos (magnesio frente a sodio).
Como inconveniente, es un proceso costoso en energía y tiempo. La reducción se realiza a altas temperaturas y requiere varios días para completarse. Además, aunque el titanio producido es de alta pureza, suele tener niveles residuales de oxígeno, nitrógeno y otros contaminantes, que pueden afectar a las propiedades del metal.
Aplicaciones del titanio
El titanio es fundamental en aplicaciones en las que se requieren materiales ligeros, resistentes y con alta resistencia a la corrosión.
- Industria aeroespacial. Fabricación de componentes estructurales en aviones y naves espaciales debido a su alta relación resistencia-peso.
- Industria química. Equipos resistentes a la corrosión, como intercambiadores de calor y reactores.
- Industria médica. Prótesis, implantes ortopédicos y equipos quirúrgicos debido a su biocompatibilidad.
- Industria energética. Componentes en plantas de energía y en la producción de energía nuclear.
