MATERIAIS DE CONSTRUOAULA 02

Prof. Gabriel Pereira Gonalves, M.Sc.

Fevereiro, 2015*

Conceito de MetalDEFINIESQuimicamente:Metais so elementos que sempre ionizam positivamente.

Na prticaSo elementos de caractersticas prprias quanto a forjabilidade, brilho, opacidade, condutibilidade, etc.

OrigemOs metais aparecem na natureza em estado livre ou, mais comumente, como compostos.

Os minrios so as substncias portadoras de metais e, as partes no aproveitveis, as impurezas denominadas GANGAS. As minas so os locais onde se encontram as jazidas, na extenso concedida e delimitada pelo governo federal. Todos os servios de minerao so controlados pelo Cdigo de Minas, sendo proibida qualquer explorao que no seja supervisionada pelo Ministrio de Minas e Energia.

Obteno dos metaisGeralmente, obedece a duas fases: Minerao e a Metalurgia.

Minerao:

Colheita do minrio Cu aberto ou subterrneaFerro ou a fogo (mecnica ou com explosivos)

Obteno dos metaisGeralmente, obedece a duas fases: Minerao e a Metalurgia.

Minerao:

* Na purificao = eliminao de gangaConcentrao(purificao)Processos mecnicos e qumicos:Triturao / fragmentao;Classificao;levigao;Flotao;Separao magntica;Lavagem simples;Ustulao (aquecimento com forte jato de ar);Calcinao (fogo).

MetalurgiaProcesso onde o metal puro extrado do minrio por um dos seguintes processos: reduo, precipitao qumica ou eletrlise. O processo de reduo mais comum o feito com carbono e xido de carbono a altas temperaturas, em fornos, e do qual resulta o metal puro ou quase puros, em estado de fuso. O processo de precipitao simples usa alguma reao qumica da qual resulte o metal puro. O processo eletroltico s pode ser empregado em minrios que possam ser dissolvidos na gua. A eletrlise usada tambm para purificao (refino) de metais por algum dos processos anteriores.

Principais minrios e ocorrncia dos metais no siderrgicosAlumnio (elementos mais abundantes da Terra (argilas) extrao no recomendado)Bauxita (xido) O2Al2(HO)2 ou Al2(HO)2, da qual o aluminato extrado por eletrlise.Jazidas no Brasil: Minas, Par, Bahia, Espirito Santo, Rio de Janeiro e So Paulo.

Principais minrios e ocorrncia dos metais no siderrgicosChumbo O minrio de chumbo a galeria , sulfeto, de frmula PbS, do qual o chumbo extrado por fundio redutora.Minas no Brasil: So Paulo, Paran e Bahia.

Principais minrios e ocorrncia dos metais no siderrgicosCobre Obtido a partir de diversos minrios

Extrao: Rio Grande do Sul, Bahia e Gois.

Principais minrios e ocorrncia dos metais no siderrgicosCassiterita (dixido) SnO2, da qual extrado o estanho

Extrao: Norte, Nordeste, Minas e Rio Grande do Sul.

Principais minrios e ocorrncia dos metais no siderrgicos

Produtores: Minas e So Paulo

Principais minrios e ocorrncia dos metais no siderrgicosSiderita (Co3Fe), cor cinza com matizes amarelas, contm 30 a 42% de ferro.Magnetita (Fe3O4), cor preta, contm 45 a 70% de ferro.Hematita (Fe2O3), cor vermelho escuro, contm 50 a 60% de ferro.

Limonita (2Fe2O3 3H2O), cor parda, 20 a 60% de ferro.

Pirita (SFe), que minrio de enxofre, onde o ferro subproduto

ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS*

*ESTRUTURA CRISTALINA

ESTRUTURA CRISTALINARESUMOSubstncia formada por tomos;Molcula agrupamento de tomos

Agrupamento de tomos em 2 formas:Maneira ordenada corpos cristalinosDesordenada corpos amorfosGros ou dentrites: agrupamento de cristais.*

ARRANJAMENTO ATMICOPor qu estudar?As propriedades de alguns materiais esto diretamente associadas sua estrutura cristalina (ex: magnsio e berlio que tm a mesma estrutura se deformam muito menos que ouro e prata que tm outra estrutura cristalina)Explica a diferena significativa nas propriedades de materiais cristalinos e no cristalinos de mesma composio (materiais cermicos e polimricos no-cristalinos tendem a ser opticamente transparentes enquanto cristalinos no)*

ARRANJAMENTO ATMICOOs materiais slidos podem ser classificados em cristalinos ou no-cristalinos de acordo com a regularidade na qual os tomos ou ons se dispem em relao seus vizinhos.Material cristalino aquele no qual os tomos encontram-se ordenados sobre longas distncias atmicas formando uma estrutura tridimensional que se chama de rede cristalinaTodos os metais, muitas cermicas e alguns polmeros formam estruturas cristalinas sob condies normais de solidificao *

ARRANJO ATMICONos materiais no-cristalinos ou amorfos no existe ordem de longo alcance na disposio dos tomosAs propriedades dos materiais slidos cristalinos depende da estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os tomos, molculas ou ons esto espacialmente dispostos.H um nmero grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais at estruturas mais complexas exibidas pelos cermicos e polmeros

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CLULA UNITRIA(unidade bsica repetitiva da estrutura tridimensional)Consiste num pequeno grupos de tomos que formam um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional (analogia com elos da corrente)A clula unitria escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina*

CLULA UNITRIA(unidade bsica repetitiva da estrutura tridimensional)*Clula UnitriaOs tomos so representados como esferas rgidas

ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAISComo a ligao metlica no-direcional no h restries quanto ao nmero e posies dos vizinhos mais prximos.Ento, a estrutura cristalina dos metais tm geralmente um nmero grande de vizinhos e alto empacotamento atmico.Trs so as estruturas cristalinas mais comuns em metais: Cbica de corpo centrado, cbica de face centrada e hexagonal compacta.*

SISTEMA CBICOOs tomos podem ser agrupados dentro do sistema cbico em 3 diferentes tipos de repetio

Cbico simplesCbico de corpo centradoCbico de face centrada

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*SISTEMA CBICO SIMPLESApenas 1/8 de cada tomo cai dentro da clula unitria, ou seja, a clula unitria contm apenas 1 tomo.Essa a razo que os metais no cristalizam na estrutura cbica simples (devido ao baixo empacotamento atmico)Parmetro de redea

*SISTEMA CBICO SIMPLES

*SISTEMA CBICO SIMPLES

*SISTEMA CBICO SIMPLES

*SISTEMA CBICO SIMPLES

*SISTEMA CBICO SIMPLES

*SISTEMA CBICO SIMPLES

*NMERO DE COORDENAO PARA CCC

Nmero de coordenao corresponde ao nmero de tomos vizinhos mais prximosPara a estrutura cbica simples o nmero de coordenao 6.

*RELAO ENTRE O RAIO ATMICO (R) E O PARMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CBICO SIMPLES

No sistema cbico simples os tomos se tocam na face

a= 2 R

* FATOR DE EMPACOTAMENTO ATMICO PARA CBICO SIMPLES

Fator de empacotamento= Nmero de tomos x Volume dos tomosVolume da clula unitria

Vol. dos tomos=nmero de tomos x Vol. Esfera (4R3/3)Vol. Da clula=Vol. Cubo = a3

Fator de empacotamento = 4R3/3 (2R) 3

O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CBICA SIMPLES O,52

*EST. CBICA DE CORPO CENTRADOO PARMETRO DE REDE E O RAIO ATMICO ESTO RELACIONADOS NESTE SISTEMA POR:accc= 4R /(3)1/2

Na est. ccc cada tomo dos vertices do cubo dividido com 8 clulas unitriasJ o tomo do centro pertence somente a sua clula unitria.Cada tomo de uma estrutura ccc cercado por 8 tomos adjacentesH 2 tomos por clula unitria na estrutura cccMetais (alcalinos e alcalinos terrosos)

Filme

*RELAO ENTRE O RAIO ATMICO (R) E O PARMETRO DE REDE (a) PARA O SITEMA CCCNo sistema CCC os tomos se tocam ao longo da diagonal do cubo: (3) 1/2.a=4R

accc= 4R/ (3)1/2

*NMERO DE COORDENAO PARA CCC

Nmero de coordenao corresponde ao nmero de tomos vizinhos mais prximosPara a estrutura ccc o nmero de coordenao 8.

*NMERO DE COORDENAOPara a estrutura ccc o nmero de coordenao 81/8 de tomo1 tomo inteiro

*FATOR DE EMPACOTAMENTO ATMICO PARA CCC

Fator de empacotamento= Nmero de tomos x Volume dos tomosVolume da clula unitria

O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CC O,68

*EST. CBICA DE FACE CENTRADAO PARMETRO DE REDE E O RAIO ATMICO ESTO RELACIONADOS PARA ESTE SISTEMA POR:

acfc = 4R/(2)1/2 =2R . (2)1/2

Na est. cfc cada tomo dos vertices do cubo dividido com 8 clulas unittiasJ os tomos das faces pertencem somente a duas clulas unitriasH 4 tomos por clula unitria na estrutura cfc o sistema mais comum encontrado nos metais (Al, Fe, Cu, Pb, Ag, Ni,...)Filme 25

*NMERO DE COORDENAO PARA CFC

Nmero de coordenao corresponde ao nmero de tomos vizinhos mais prximoPara a estrutura cfc o nmero de coordenao 12.

*NMERO DE COORDENAO PARA CFC

Para a estrutura cfc o nmero de coordenao 12.

*Demonstre que acfc = 2R (2)1/2

a2 + a2 = (4R)2 2 a2 = 16 R2a2 = 16/2 R2a2 = 8 R2a= 2R (2)1/2

*FATOR DE EMPACOTAMENTO ATMICO PARA CFC

Fator de empacotamento= Nmero de tomos X Volume dos tomosVolume da clula unitriaO FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CFC O,74

*DEMONSTRE QUE O FATOR DE EMPACOTAMENTO PARA A EST. CFC O,74

*TABELA RESUMO PARA O SISTEMA CBICOtomos Nmero de Parmetro Fator de por clula coordenao de redeempacotamento

CS 16 2R 0,52CCC 2 8 4R/(3)1/2 0,68CFC 4 12 4R/(2)1/2 0,74

*SISTEMA HEXAGONAL SIMPLES

Os metais no cristalizam no sistema hexagonal simples porque o fator de empacotamento muito baixoEntretanto, cristais com mais de um tipo de tomo cristalizam neste sistema

*EST. HEXAGONAL COMPACTAOs metais em geral no cristalizam no sistema hexagonal simples pq o fator de empacotamento muito baixo, exceto cristais com mais de um tipo de tomo O sistema Hexagonal Compacta mais comum nos metais (ex: Mg, Zn) Na HC cada tomo de uma dada camada est diretamente abaixo ou acima dos interstcios formados entre as camadas adjacentes

*EST. HEXAGONAL COMPACTACada tomo tangencia 3 tomos da camada de cima, 6 tomos no seu prprio plano e 3 na camada de baixo do seu planoO nmero de coordenao para a estrutura HC 12 e, portanto, o fator de empacotamento o mesmo da cfc, ou seja, 0,74.

*EST. HEXAGONAL COMPACTAH 2 parmetros de rede representando os parmetros Basais (a) e de altura (c)

*SISTEMAS CRISTALINOS

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*POLIMORFISMO OU ALOTROPIAAlguns metais e no-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e presso. Esse fenmeno conhecido como polimorfismo.Geralmente as transformaes polimorficas so acompanhadas de mudanas na densidade e mudanas de outras propriedades fsicas.

*EXEMPLO DE MATERIAIS QUE EXIBEM POLIMORFISMOFerroTitnioCarbono (grafite e diamente)Etc.

*ALOTROPIA DO FERRONa temperatura ambiente, o Ferro tm estrutura ccc, nmero de coordenao 8, fator de empacotamento de 0,68..A 910C, o Ferro passa para estrutura cfc, nmero de coordenao 12, fator de empacotamento de 0,74.A 1394C o ferro passa novamente para ccc.

* ALOTROPIA DO TITNIOFASE Existe at 883CApresenta estrutura hexagonal compacta moleFASE Existe a partir de 883CApresenta estrutura ccc dura

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