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Metais e Metalurgia João Paulo Cavatão 15735 Thiago Gonçalves 15718.

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1 Metais e Metalurgia João Paulo Cavatão Thiago Gonçalves 15718

2 Ocorrência e distribuição dos metais Apesar do raio da terra ser de km só exploramos até 4 km de profundidade. Muitos dos metais mais úteis não são abundantes nessa porção da litosfera. Por isso, esses metais têm importância no cenário político mundial já que os países competem pelo acesso a esses depósitos. Tais depósitos são conhecidos como MINÉRIOS. Em geral o metal desejado deve ser separado de componentes que não interessam por processos químicos. Com o uso abusivo, num futuro próximo será necessário usar matéria bruta de menor qualidade, o que custará mais energia e causará maior impacto ambiental.

3 Minerais Com exceção do ouro e de alguns outros metais do grupo platina, a maioria dos elementos metálicos é encontrada na natureza em compostos inorgânicos sólido, os minerais. Exemplos: Através da Metalurgia, os metais são extraídos a partir de suas fontes naturais, os minerais. Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 Hematita Magnetita Ferro Al 2 O 3 BauxitaAlumínio ComposiçãoMineralMetal

4 É a tecnologia necessária para extrair os metais a partir de suas fontes naturais e prepara-los para o uso. Pode ser dividida em várias etapas: -Mineração -Concentração do minério -Obtenção do metal -Refinamento (purificação)‏ -Mistura do metal com outros elementos (liga)‏ Após ser minerado, o minério é tratado para ser separado da ganga. Após isto, através de processos químicos obtêm- se o metal na pureza desejada. Metalurgia

5 Pirometalurgia Uso de calor para alterar ou reduzir o mineral, ocorre em altas temperaturas. A pirometalurgia, acomoda alguns processos, como: •Calcinação •Ustulação •Fusão •Refinamento

6 Calcinação Aquecimento de um minério para realizar a sua decomposição e a eliminação de um produto volátil. Exemplo: PbCO 3(s)  PbO (s) + CO 2(g)‏ A calcinação serve para eliminar o CO 2, formando assim um óxido metálico.

7 Ustulação Tratamento térmico que causa reações químicas entre o minério e a atmosfera dos fornos. Pode levar à oxidação e ou à redução. Processo importante da ustulação é a oxidação de minerais de sulfeto, onde o metal é convertido em óxido. Exemplos: 2 ZnS (s) + 3 O 2(g)  2 ZnO (s) + 2 SO 2(g)‏ 2 MoS 2(s) + 7 O 2(g)  2 MoO 3(s) + 4 SO 2(g)‏

8 Em um metal menos ativo, como o mercúrio, o minério de sulfeto pode ser ustulado em metal livre, dada a reação: HgS (s) + O 2(g)  Hg (g) + SO 2(g)‏ O monóxido de carbono (CO) também é usado no processo de ustulação. PbO (s) + CO (g)  Pb (l) + CO 2(g)‏

9 Fusão Processo em que os materiais formados são separados em duas ou mais camadas, geralmente envolve um processo de calcinação no mesmo forno. Camadas importantes formadas no fundidor: metais fundidos e escória. Metal fundido: pode consistir em apenas um metal, ou pode ser uma solução de dois ou mais. Escória: considerada impureza, formada principalmente por metais de silicato, com aluminatos, fosfatos e outros compostos iônicos. CaO (l) + SiO 2(l)  CaSiO 3(l)‏

10 Refinamento Tratamento de um produto metálico relativamente impuro e bruto, partindo de um processo metalúrgico, com a finalidade de aumentar sua pureza e definir sua composição.

11 Pirometalurgia do Ferro A pirometalurgia do ferro é a mais importante entre as operações pirometalúrgicas.

12 Pirometalurgia do ferro No forno o oxigênio reage com o carbono do coque para formar monóxido de carbono. O vapor de água presente no ar também reage com o carbono, formando tanto monóxido de carbono quanto hidrogênio. No topo do forno, o calcário se decompõe formando CaO e CO 2. E, no mesmo local, os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO e H 2.

13 Formação do aço É uma liga de ferro. Na produção do aço as impurezas presentes no ferro, são removidas por oxidação em um recipiente chamado conversor, depois do processo em alto forno.

14 Hidrometalurgia O metal é extraído de seus minérios por meio de reações aquosas. Normalmente são usadas soluções aquosas de ácido, base ou sal. O processo hidrometalúrgico mais importante é a lixiviação, na qual o composto desejado contendo o metal é dissolvido seletivamente. Exemplo: Obtenção do ouro à partir do íon Au(CN) Au(CN) 2 - (aq) + Zn (s)  Zn(CN) 4 2- (aq) + 2 Au (s)‏

15 Hidrometalurgia do alumínio Dentre os metais o alumínio só perde para o ferro no uso comercial. A bauxita, o mais útil mineral de alumínio, de fórmula molecular Al 2 O 3 · xH 2 O, tem como principais impurezas presentes o SiO 2 e Fe 2 O 3. O processo usado para purificar a bauxita é o processo de Bayer que é um procedimento hidrometalúrgico

16 Processo de Bayer A bauxita é lavada em uma solução quente de NaOH em torno de 150°C a 230°C, isso depois de triturado e moído o mineral. Al 2 O 3 dissolve-se nessa solução, formando o íon complexo aluminato Al(OH) 4 - •A solução de aluminato pode ser filtrada para separar as impurezas •O pH da solução é reduzido para que o Al(OH) 3 se precipite.

17 •O precipitado é calcinado na preparação por eletrorredução •Por fim, a solução recuperada é aquecida para evaporar a água, processo que requer mais energia e é a parte mais cara do processo de Bayer

18 Eletrometalurgia Engloba os processos de redução de minerais metálicos através da eletrólise. Esses processos são importantes para obtenção de metais como sódio, magnésio e alumínio. Este é o chamado processo de Hall e apresenta rendimento comercial de cerca de 25%. (4000kg de Bauxita para formar 1000kg de Alumínio)‏ Eletrometalurgia do Alumínio: Bauxita (Al 2 O 3 ) é dissolvido em um condutor de corrente elétrica e sofrerá eletrólise.

19 Eletrometalurgia do Sódio NaCl fundido é eletrolisado em uma célula especialmente desenvolvida, chamada célula de Downs, o Ca(Cl) 2 é adicionado para baixar o ponto de fusão do NaCl fundido.

20 Eletrorrefinamento do Cobre O cobre é muito utilizado para fazer fiação elétrica e em outras aplicações que utilizam alta condutividade elétrica. A purificação do cobre é realizada por eletrólise

21 Ligação Metálica A metalurgia, além de preocupar-se em obter os metais na forma pura, precisa entender as propriedades dos metais com que trabalha. A capacidade de obter avanços está ligada ao entendimento das propriedades do sistema com o qual trabalhamos. Vamos agora apresentar as propriedades características dos metais, procurando relacioná-las a um modelo de ligação metálica.

22 Propriedades físicas dos metais •Alta condutividade térmica •Alta condutividade elétrica •Maleáveis •Dúcteis •Estruturas sólidas (maioria)‏

23 Modelo de mar de elétrons Nesse modelo o metal é visto como uma rede de cátions metálicos em um ‘mar’ de elétrons de valência. Os elétrons estão ligados aos cátions uniformemente distribuídos por meio de atrações eletrostáticas, sem no entanto ficarem confinados individualmente a um cátion como é o caso da bateria. A alta condutividade térmica dos metais também se deve à mobilidade dos elétrons, que permite a rápida transferência de energia cinética pelo sólido. Suas deformidades também se explicam por isso, já que os metais têm facilidade de formar ligações com seus vizinhos. Mas, tal modelo não explica todas as propriedades. Por exemplo, a força de ligação entre átomos metálicos deveria aumentar à medida que o número de elétrons de valência aumenta, resultando em um correspondente aumento nos pontos de fusão. No entanto, metais do grupo 6B estão no meio da tabela e apresentam os maiores pontos de fusão. Para melhor explicar essas propriedades temos um modelo mais específico, o modelo de orbital molecular.

24 Modelo do Orbital Molecular •Resulta na formação de orbitais moleculares ligantes e antiligantes •Quanto maior o número de orbitais, menos espaçada será a diferença de energia entre esses •Nos metais há um número muito grande de orbitais •Devido às separações serem tão pequenas, pela praticidade podemos definir uma banda de energia

25 Ligas As ligas são materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal. São Comumente divididas em três categorias: -Ligas de solução: misturas uniformes com elementos distribuídos aleatoriamente (substitucional ou intersticial)‏ -Ligas heterogêneas: Com distribuição não uniforme dos componentes, a liga heterogênea tem zonas com maior distribuição de um determinado material -Compostos intermetálicos: são ligas homogêneas muito importantes. Um exemplo de utilização: Ni 3 AL: principal componente de motores à jato (alta resistência, baixa densidade)‏

26 Metais de transição - Propriedades físicas: propriedades como energia de ionização e raio atômico são características dos átomos isolados, independem da análise do sólido metálico formado. Raio atômico: Em geral, o raio atômico deveria diminuir a medida que fossemos da esquerda para a direita ao longo de um período por causa do aumenta da carga nuclear. No caso dos metais de transição, à partir do grupo 6B essa tendência não é observada, pois a medida que o número de elétrons ‘d’ aumenta, nem todos são usados nas ligações, o que aumentará os efeitos repulsivos, acarretando aumento no raio atômico de ligação.

27 Raio atômico dos elementos do Grupo B Grupo3B 4B 5B 6B 7B8B 8B 8B 1B 2B Elemento Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Configuração 3d 1 4s 2 3d 2 4s 2 3d 3 4s 2 3d 5 4s 1 3d 5 4s 1 3d 6 4s 2 3d 7 4s 2 3d 8 4s 2 3d 10 4s 1 3d 10 4s 2

28 Configuração eletrônica Os metais de transição devem sua localização na tabela periódica ao preenchimento dos subníveis ‘d’. Quando são oxidados, perdem seus elétrons mais externos (‘s’) antes de perder do nível d. Fe =[Ar] 3d 6 4s 2 Fe 2+ =[Ar] 3d 6 Fe 3+ =[Ar] 3d 5 Muitos íons dos metais de transição possuem subnível ‘d’ parcialmente ocupado. A existência desses elétrons ‘d’ é parcialmente responsável por várias características dos metais de transição:

29 -Eles geralmente apresentam mais de um estado de oxidação estável -Muitos de seus compostos são coloridos -Apresentam propriedades magnéticas interessantes Da esquerda para direita: Mn 2+, Fe 2+, Co 2+, Ni 2+, Cu 2+ e Zn 2+.

30 Magnetismo Pode-se dividir os composto em: •Diamagnéticos: sem átomos ou íons com momento magnético. •Paramagnéticos: átomo ou íon possui um ou mais elétrons desemparelhados •Ferromagnéticos: elétrons desemparelhados de átomos ou íons influenciados pelas orientações dos elétrons dos seus vizinhos.

31 Química de alguns metais de transição Ferro: Existe em solução aquosa nos estados de oxidação +2 (ferroso) e +3 (férrico). Processo: FeCO 3(s) +CO 2(aq)+ H 2 0 (l)  Fe 2+ (aq) +2HCO 3 - (aq)‏ Na presença de ar (O 2(g) ) o Fe 2+ tende a ser oxidado a Fe 3+ que é pouco solúvel em água e tem coloração marrom. Reação: 4Fe 2+ (aq) +O 2(g) +4H + (aq)  4Fe 3+ (aq) +2H 2 O (l)‏

32 Cromo •Na ausência de ar, o Cr dissolve-se em ácido clorídrico ou ácido sulfúrico, formando uma solução azul com íon de Cr 2+ ; •Na presença de ar, o Cr 2+ oxida facilmente para Cr 3+ ;

33 Referências bibliográficas Química: A Ciência Central pt.wikipedia.org/


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