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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