Metais e metalurgia

• A história antiga é dividida em Idade da Pedra, Idade do Bronze e

Idade do Ferro.

• Se considerarmos um motor de um jato, existem 7 metais

presentes. O Fe não está.

• Um motor de jato moderno consiste principalmente de Te e Ni com

quantidades decrescentes de Cr, Co, Al, Nb e Ta.

• A parte sólida da Terra é chamada de litosfera.

• Depósitos de metais concentrados são encontrados abaixo da

superfície terrestre.

Ocorrência e distribuição dos metais

Minerais

• Minério: depósito que contém metal suficiente para ser extraído economicamente.

• A maioria dos metais é encontrada em minerais.

• Os nomes dos minerais normalmente são baseados na localização de sua descoberta

• A outros minerais são dados os nomes de suas cores: malaquita vem do grego malache (o nome da árvore com folhas muito verdes).

• Os minérios mais importantes são óxidos, sulfetos e carbonatos.

Ocorrência e distribuição dos metais

Ocorrência e distribuição dos metais

Metalurgia

• Metalurgia é a ciência e a tecnologia de extração de metais dos

minerais.

• Existem cinco etapas importantes:

– Mineração (remoção do minério do solo);

– Concentração (preparação para tratamento futuro);

– Redução (obtenção do metal livre no estado de oxidação zero);

– Refino (obtenção do metal puro) e

– Mistura com outros metais (para formar uma liga).

Ocorrência e distribuição dos metais

• Pirometalurgia: uso de altas temperaturas para a obtenção do metal

livre.

• Diversas etapas são empregadas:

– Calcinação é o aquecimento do minério para provocar a

decomposição e a eliminação de um produto volátil:

PbCO3(s) PbO(s) + CO2(g)

– Ustulação é o aquecimento que provoca reações químicas entre

o minério e a atmosfera da fornalha:

Pirometalurgia

2ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g)

2MoS2(s) + 7O2(g) 2MoO3(s) + 4SO2(g)

– Fusão de minérios é um processo de derretimento que faz com

que os materiais se separem em duas ou mais camadas.

– A escória consiste principalmente em silicatos derretidos junto

com aluminatos, fosfatos, fluoretos e outros materiais

inorgânicos.

– O refino é o processo durante o qual um metal bruto impuro é

convertido em um metal puro.

Pirometalurgia

Pirometalurgia do ferro

• As fontes mais importantes de ferro são a hematita, Fe2O3 e a

magnetita, Fe3O4.

• A redução ocorre em um alto-forno.

• O minério, o calcário e o coque são adicionados ao topo do alto-

forno.

• Coque é o carvão que foi aquecido para expelir os componentes

voláteis.

Pirometalurgia

Pirometalurgia

Pirometalurgia do ferro• O coque reage com o oxigênio para formar CO (o agente redutor):

2C(s) + O2(g) 2CO(g), H = -221 kJ

• O CO é também produzido pela reação do vapor d’água no ar com C:

C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g), H = +131 kJ

Uma vez que essa reação é endotérmica, se o alto-forno fica quente demais, adiciona-se vapor d’água para resfriá-la sem interromper a química.

Pirometalurgia

Pirometalurgia do ferro

• Em torno de 250C, o calcário é calcinado (aquecido para

decomposição e eliminação dos voláteis).

• Também em torno de 250C, os óxidos de ferro são reduzidos pelo

CO:

Fe3O4(s) + 4CO(g) 3Fe(s) + 4CO2(g), H = -15 kJ

Fe3O4(s) + 4H2(g) 3Fe(s) + 4H2O(g), H = +150 kJ

• O ferro fundido é produzido bem abaixo no alto-forno e removido

no fundo.

• A escória (materiais de silicato fundido) é removida acima do ferro

derretido.

Pirometalurgia

Pirometalurgia do ferro

• Se o ferro vai ser transformado em aço, ele é derramado

diretamente em uma fornalha básica de oxigênio.

• O ferro fundido é convertido em aço, uma liga de ferro.

• Para remover as impurezas, o O2 é soprado através da mistura

derretida.

• O oxigênio oxida as impurezas.

Formação do aço

• Aço é uma liga de ferro.

Pirometalurgia

• Hidrometalurgia é a extração de metais de minérios com a

utilização de água.

• Lixívia é a dissolução seletiva do mineral desejado.

• Os agentes típicos da lixívia são ácidos dilutos, bases, sais e,

algumas vezes, água.

• O ouro pode ser extraído de minério de baixo grau através de

cianidação:

Hidrometalurgia

– O NaCN é borrifado sobre o minério triturado e o ouro é oxidado:

4Au(s) + 8CN-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) 4Au(CN)2-(aq) + 4OH-

(aq)

– O ouro é então obtido através de redução:

2Au(CN)2-(aq) + Zn(s) Zn(CN)4

2-(aq) + 2Au(s)

Hidrometalurgia

Hidrometalurgia do alumínio

O alumínio é o segundo metal mais útil.A bauxita é um mineral que contém Al como Al2O3.xH2O.

Hidrometalurgia

Hidrometalurgia do alumínio

• O processo de Bayer:

– O minério triturado é dissolvido em NaOH 30% (em massa) a

150 - 230C e alta pressão (30 atm para impedir a ebulição).

– Al2O3 dissolve:

Al2O3.H2O(s) + 2H2O(l) + 2OH-(aq) 2Al(OH)4-(aq)

– A solução de aluminato é separada através da redução do pH.

– A solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o

metal.

Hidrometalurgia

Eletrometalurgia do alumínio

• A célula de eletrólise do processo de Hall é usada para a produção

do alumínio.

• O Al2O3 funde à 2000C e não é prático fazer eletrólise no sal

fundido.

Eletrometalurgia

Eletrometalurgia do alumínio

• Hall: usa o Al2O3 purificado em criolita fundida (Na3AlF6, ponto

de fusão 1012C).

• Anodo: C(s) + 2O2-(l) CO2(g) + 4e-

• Catodo: 3e- + Al3+(l) Al(l)

• Os bastões de grafite são consumidos na reação.

• Processo de Bayer: a bauxita (~ 50 % de Al2O3) é concentrada para

produzir óxido de alumínio.

Eletrometalurgia

Eletrometalurgia

Eletrometalurgia do alumínio

Eletrometalurgia

Eletrorrefinamento do cobre

• Por causa de sua boa condutividade, o Cu é usado para fazer fios

elétricos.

• As impurezas reduzem a condutividade, assim, necessita-se de

cobre puro na indústria eletrônica.

Eletrometalurgia

Eletrometalurgia do alumínio• Para a produção de 1.000 kg de Al, precisamos de 4.000 kg de bauxita, 70 kg de

criolita, 450 kg de anodos de C e 56 109 J de energia.

Eletrometalurgia

Eletrorrefinamento do cobre

• Placas de Cu impuro são usadas como anodos, chapas finas de Cu

puro são os catodos.

• O sulfato de cobre ácido é usado como o eletrólito.

• A voltagem através dos eletrodos é planejada para produzir cobre

no catodo.

• As impurezas metálicas não se depositam no catodo.

• Os íons metálicos são coletados no sedimento no fundo da célula.

Eletrometalurgia

Propriedades físicas dos metais

• Importantes propriedades físicas dos metais puros: maleáveis,

dúcteis, bons condutores e frios ao tato.

• A maioria dos metais é sólido com átomos em um empacotamento

denso.

• No Cu, cada átomo está rodeado por 12 vizinhos.

• Não existem elétrons suficientes para que os átomos metálicos

estejam ligados covalentemente entre si.

Ligação metálica

• As ligas têm mais de um elemento com características de metais.

• Os metais puros e as ligas têm propriedades físicas diferentes.

• Na joalheria, usa-se uma liga de ouro e cobre (a liga é mais resistente do que o ouro macio).

• As soluções de ligas são misturas homogêneas.

• Ligas heterogêneas: os componentes não estão dispersos uniformemente (por exemplo, aço de perlita tem duas fases: Fe quase puro e cementita, Fe3C).

Ligas

• Existem dois tipos de solução liga de:

– Ligas substituintes (os átomos do soluto tomam as posições do

solvente);

– Ligas intersticiais (o soluto ocupa sítios intesticiais na rede

metálica).

• As ligas substituintes:

– os átomos devem ter raios atômicos semelhantes,

– os elementos devem ter características ligantes semelhantes.

Ligas

• As ligas intersticiais:

– um elemento deve ter um raio significativamente menor do que

o outro (para que caiba no sítio intersticial), por exemplo, um

não-metal.

– A liga é bem mais forte do que o metal puro (ligação fortalecida

entre não-metal e metal).

– Exemplo: aço (contém até 3% de carbono).

Ligas

Ligas

Propriedades físicas• Os metais de transição ocupam o bloco d da tabela periódica.

• Quase todos têm dois elétrons s (exceto o grupo 6B e o grupo 1B).

• A maior parte desses elementos é muito importante na tecnologia moderna.

• As propriedades físicas dos metais de transição podem ser classificadas em dois grupos: propriedades atômicas (por exemplo, tamanho) e propriedades de volume (por exemplo, ponto de fusão).

Metais de transição

Propriedades físicas

• As tendências atômicas tendem a ser regulares para os metais de

transição.

Metais de transição

Minérios

Alguns minerais são: nicolita (arsenieto de níquel), pentlandita (sulfeto de ferro e níquel, (Ni,Fe)9S8), pirrotita (sulfito de ferro, que pode ter níquel como impureza). É encontrado na maioria dos meteoritos e freqüentemente a sua presença serve para distinguir o meteorito de um mineral.

– Vista parcial da mina a céu aberto, em Serra de Fortaleza, MG.

Aplicaçõesmetais de transição - Níquel

Aplicaçõesmetais de transição - Niquel

Aplicações - alguns exemplos

Várias aplicações são dependentes do níquel, como a fabricação de motores a jato; produção de equipamentos de processos de plantas usados em indústrias importantes, tais como de alimentos, bebidas, óleos, produtos químicos e farmacêuticos; prensagem de CDs e DVDs e sistemas para baterias recarregáveis. O níquel torna possível a existência desses e de muitos outros produtos essenciais à vida

Amplamente usado na produção de aços inoxidáveis e de outras ligas resistentes à corrosão (Aproximadamente 68% do níquel produzido é usado para produzir aços inoxidáveis e ligas).

Componente de ligas para resistências elétricas.

Eletrodeposição de níquel dá uma eficiente proteção anticorrosiva a peças de aço.

Granulado, serve como catalisador para a hidrogenação de óleos vegetais.

Outras aplicações: moedas, ligas para ímãs permanentes, baterias.

Tubulações feitas de liga de cobre e níquel são empregadas na condução de meios corrosivos como água do mar.

O óxido de níquel é usado como catalisador em diversos processos industriais e, dos sais, o sulfato é o mais empregado, destinando-se a banhos para niquelagem, que é realizado através da galvanoplastia usando banhos de sais de níquel.

Aplicaçõesmetais de transição - Manganês

Assim como ferro e cobre, o manganês é essencial para todas as formas de vida, inclusive o ser humano, que precisa consumir de 1 a 5 mg por dia deste mineral. Utilizado na confecção de alguns materiais, é responsável pela coloração da pedra ametista, que é uma variedade de quartzo. Já o dióxido de manganês (MnO2) é usado para descolorir vidros que apresentam coloração verde devido à presença de traços de ferro.

Cerca de 90% dos minérios produzidos no mundo são usados na siderurgia na forma de ferroligas de manganês. Essas ligas de ferro, manganês, carbono e silício são utilizadas na fabricação do aço, para eliminar suas impurezas, ou como elemento de liga, para alterar a estrutura cristalina do aço.

De todo modo, as propriedades do aço são completamente alteradas pela incorporação do manganês. A quantidade de ligas de manganês adicionada depende basicamente da destinação que será dada ao aço.

Aplicaçõesmetais de transição - Zinco