capítulo 23: metais e metalurgia

Capítulo 23: Metais e MetalurgiaIuri Tiago Martins Angelo 17084 EELLucas Lugatto Emerencio 17096 EEL

Professor: Dr. Élcio Rogério Barrak

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Introdução

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 02/27

Os metais têm tido um papel importante no desenvolvimento da civilização, sendo utilizados na fabricação de máquinas, ferramentas e outros itens.

Neste seminário serão discutidos:

As formas químicas nas quais os elementos metálicos ocorrem na natureza;Os meios pelos quais obtemos os metais a partir dessas fontes;A ligação nos sólidos;Como metais e suas misturas são empregados na tecnologia moderna;Propriedades dos metais de transição. Fábrica Volkswagen

Ocorrência e Distribuição dos Metais• A litosfera fornece a maioria dos materiais que usamos;• Temos acesso limitado a apenas uma pequena região da superfície do

planeta;• A distribuição dos metais geralmente ocorre em depósitos concentrados

(jazidas);• Minérios: depósitos que contêm metais em quantidades

economicamente exploráveis ;• Normalmente os compostos ou elementos que desejamos devem ser

separados de materiais não desejados (refinamento).


Terra

Minerais

• A maioria dos elementos metálicos é encontrada na natureza em compostos inorgânicos sólidos chamados minerais;

• As fontes mais importantes de metais são os óxidos, sulfetos e carbonatos minerais;


Metal Mineral ComposiçãoAlumínio Bauxita Al₂O₃

Ferro Hematita Fe₂O₃

Cobre Calcopirita CuFeS₂

Titânio Rutilo TiO₂

Calcopirita Rutilo

Metalurgia• É a ciência e a tecnologia de extração de metais a partir de suas fontes

naturais e preparação delas para uso;• Existem vários tipos de processos metalúrgicas sendo que cada um é

específico para cada tipo de mineral.


Região de exploração de minério de ferro da Vale no Pará

Etapas da MetalurgiaProcesso de extração do minerais.


Mineração

Concentração do minério

Redução do

minério

Refinamento

Mistura do metal com

outros elementos

O estágio de concentração baseia-se nas diferenças das propriedades do mineral e no material não desejado que o acompanha, chamado ganga.

Etapa que consiste na obtenção do metal livre.

Retirada das impurezas presentes em um metal bruto a partir desse processo metalúrgico.

Processo para modificar as propriedades do metal o que acaba produzindo uma liga, material metálico composto de 2 ou mais elementos.

Pirometalurgia• Processo metalúrgico que consiste na utilização de altas temperaturas para

alterar o mineral quimicamente, reduzindo-o ao metal livre;• A pirometalurgia é dividida em 3 operações: calcinação, ustulação e fusão;• As operações pirometalúrgicas podem envolver não apenas a concentração e

redução de um mineral, mas também o refinamento do metal.

ICAL - Indústria de Calcinação


Operações da PirometalurgiaCalcinação: É o aquecimento de um minério para realizar sua

decomposição e a eliminação de um produto volátil, como CO₂ ou H₂O, presentes em um minério. Os carbonatos geralmente são calcinados para eliminar o CO₂ e formar óxido metálico. Por exemplo:


Ustulação: É um tratamento térmico que provoca reações químicas entre os minérios e a atmosfera dos fornos. Um importante processo é a oxidação dos sulfetos minerais, nos quais o metal é convertido a óxido. Por Exemplo:

Fusão: é o processo em que os materiais formados durante as reações químicas são separados em duas ou mais camadas.

O metal fundido pode consistir quase inteiramente de um só metal ou pode ser uma solução de dois ou mais metais.

Pirometalurgia do Ferro• A mais importante operação pirometalúrgica é a

redução do ferro, pois está presente em muitos materiais diferentes;

• As fontes mais utilizadas de ferro são os minerais de magnetita (Fe₃O₄) e hematita (Fe₂O₃);

• A redução dos óxidos de ferro pode ser realizada em um alto-forno, que é basicamente um reator químico;

• Um dos produtos da pirometalurgia é a escória, que consiste principalmente em minerais de silicato fundido com aluminatos, fosfatos e outros compostos iônicos;

• O outro produto é o próprio metal, que no caso é o ferro sólido que poderá ser utilizado na formação do aço.

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 09/27Alto-Forno

Pirometalurgia do FerroReações:


Pirometalurgia do Ferro


Formação do Aço• O aço é uma liga de ferro;• A produção de ferro a partir de

seu minério é um processo de redução química que resulta em um ferro bruto contendo muitas impurezas indesejáveis;

• Na produção do aço, essas impurezas são removidas através da oxidação em um recipiente chamado conversor;


Conversor de Refinamento de Ferro

Hidrometalurgia• O metal é extraído do minério

através de reações aquosas.• A lixiviação é o processo

hidrometalúrgico mais importante. É utilizado para extrair um metal, por exemplo o ouro, do seu minério.

• Outro método, que é bastante utilizado para extração do alumínio da bauxita, é o processo de Bayer.


Bauxita

Pepita de Ouro

Eletrometalurgia• Processo utilizado para reduzir

minerais metálicos ou metais refinados, que é baseado na eletrólise.

• Importante para obtenção de metais mais ativos como sódio, magnésio e alumínio;

• Os metais obtidos a partir da eletrometalurgia não podem ser obtidos a partir de soluções aquosas pois a água se reduz mais facilmente que os íons metálicos;

• Para obter tais metais pela eletroquímica, usa-se como meio uma solução adequada que depende do metal que se deseja.


Charles M. Hall (1863-1914)

Eletrometalurgia do Sódio

Célula de Downs


Eletrometalurgia do Alumínio

Célula de eletrolise do processo de Hall


Eletrorefinamento do Cobre

Célula eletrolítica para refinamento do cobre


Ligação MetálicaPropriedades físicas dos metais:

• Alta condutividade térmica• Alta condutividade elétrica• Lustre característico• Maleabilidade.1) Modelo de mar de elétrons:• O metal é visualizado como uma

rede de cátions em um mar de elétrons de valência.

• Os elétrons são móveis e não estão confinados a qualquer íon metálico.

2) Modelo de orbital molecular para os metais:

• Modelo no qual os orbitais atômicos de valência em um átomo metálico superpõe-se com os dos vários vizinhos mais próximos, que por sua vez superpõem-se com orbitais atômicos em outros átomos.


Modelo mar de elétrons

Ligas• Material que contém mais de um

elemento e tem as propriedades características dos metais;

• Uma forma de modificar as propriedades dos elementos metálicos puros;

Classificação:• Ligas de solução;• Liga heterogênea;• Compostos intermetálicos;


Liga de Ferro

Metais de Transição• Alguns dos metais mais importantes da sociedade moderna;• São utilizados na tecnologia moderna como, por exemplo, em motores a

jato de alto desempenho.


Metais de Transição: Propriedades Físicas

• A energia de ionização e o raio atômico são características dos átomos isolados. Variam de modo similar.

• Normalmente, o raio diminui com o aumento da carga nuclear efetiva sofrido pelos elétrons de valência, porém, os elétrons não-ligantes exercem efeitos repulsivos que fazem com que as distâncias de ligação aumentem.

• Densidade e ponto de fusão são características do sólido metálico como um todo.


Folha de ouro e fio de cobre, respectivamente

Metais de Transição: Configurações Eletrônicas e Estados de Oxidação

• Os metais de transição devem suas posições na tabela periódica ao preenchimento do subnível d;

• Mas ao serem oxidados perdem elétrons do subnível s antes de perder os do subnível d;

• A existência de elétrons no subnível d é parcialmente responsável por várias características dos metais de transição, como:

1. Exibição de mais de um estado de oxidação;

2. Cor;3. Propriedades magnéticas.

Estados de oxidação da primeira série de transição


Metais de Transição: Magnetismo• As medidas das propriedades

magnéticas fornecem informações sobre a ligação química;

• As propriedades magnéticas são muito importantes para tecnologia moderna;

• Devido ao “spin”, o elétron se comporta como um imã minúsculo;

• Tipos de substâncias: Diamagnéticas; Paramagnéticas; Ferromagnéticas;


(a) Diamagnético (b) Paramagnético (c) Ferromagnético

Imã Permanente

Química de alguns Metais de Transição: Cromo

• O cromo dissolve-se lentamente no ácido clorídrico ou sulfúrico;

• Na presença do ar, o Cr2+ é rapidamente oxidado por O2;

• O cromo é frequentemente encontrado em soluções aquosas no estado de oxidação +6;

• Os íons mais estáveis em solução básica e ácida são, respectivamente, o íon cromato amarelo (CrO4

2-) e o íon dicromato (Cr2O72-);

Da esquerda para direita:Íon hidratado [Cr(H2O6)]3+ , [(H2O)4Cr(OH)2Cr(H2O)4]4+, K2Cr2O7, Na2CrO4.


Química de alguns Metais de Transição: Ferro

• Estados de oxidação do ferro em solução aquosa: +2 (ferroso) e +3 (férrico);

• O Fe2+ dissolvido, com Ca2+ e Mg2+, contribui para dureza da água;

• Na presença de ar o Fe2+(aq)

tende a ser oxidado a Fe3+

(aq), que pode ser visto como manchas marrons no gotejamento de torneiras, por exemplo (figura I).

• No estado de oxidação +3, o ferro é solúvel em soluções ácidas. Quando uma solução ácida de ferro (III) torna-se mais básica, um precipitado marrom-avermelhado gelatinoso se forma (figura II).


I II

Química de alguns Metais de Transição: Cobre

• Exibe dois estados de oxidação: +1 (cuproso) e +2 (cúprico);

• No estado de oxidação +1 ele possui configuração eletrônica 3d10, possui cor branca e geralmente são insolúveis em água;

• Por causa dessa reação e porque o cobre (I) é facilmente oxidado para cobre (II), o estado de oxidação +2 é o mais comum;

• Muitos sais de cobre (II) são solúveis em água;• O sulfato de cobre penta-hidratado é um sal

bastante usado em experiências (figura I);

• As soluções aquosas nas quais o íon cobre (II) esta coordenado por moléculas de água são geralmente azuis;

• CuS é um dos compostos de cobre (II) menos solúveis;

• O Cu(OH) é um dos compostos insolúveis de cobre (II) (figura II).


III

Referências Bibliográficas

Livro:Química: a ciência central. Brown, Theodore L., 9ª edição. Editora: Pearson.

Capítulo consultado: 23.

Sites:http://www.youtube.com/watch?v=UtMy4ZY3jgchttp://www.elcio.unifei.edu.brhttp://www.prenhall.com/brown_br


http://www.youtube.com/watch?v=UtMy4ZY3jgc

http://www.elcio.unifei.edu.br/

http://www.prenhall.com/brown_br

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