Metais e Metalurgia Aluno : Felipe Vieira Orlando

Metais e Metalurgia Aluno : Felipe Vieira Orlando
Diogo Ferraz Gorgulho Universidade Federal de engenharia de Itajubá Universidade Federal de Itajubá

Universidade Federal de Engenharia de Itajubá
Introdução No capítulo 23, iremos estudar as maneiras de se obter metais à partir de suas fontes naturais, a ligação nos sólidos e como os metais e suas misturas (ligas) são empregadas na tecnologia moderna. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Distribuição A maioria dos metais úteis não é encontrada em abundância na litosfera, a qual é de fácil acesso. Partes do nosso planeta Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Minerais Mineral é um corpo natural sólido e cristalino formado em resultado da interação de processos físico-químicos em ambientes geológicos Curiosidade: os nomes dos minerais são geralmente baseados nos locais onde eles foram descobertos. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Fontes de alguns metais
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Magnetita Magnetita –formado pelos óxidos de ferro II e III ( FeO . Fe2O3 ), cuja fórmula química é Fe3O4 Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Metalurgia Metalurgia em 1875 A metalurgia é a ciência e a tecnologia de extração dos minerais das respectivas fontes naturais e de sua respectiva preparação para a utilização. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Pirometalurgia É um processo metalúrgico que utiliza altas temperaturas para alterar o mineral quimicamente para que no final se reduza a um metal livre Tipos: -Calcinação -Ustulação -Fusão -Refinamento Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Calcinação São todos os processos metalúrgicos que dependem de elevadas temperaturas afim de provocar decomposição do mineral, eliminando componentes voláteis Exemplo: PbCO3(s)  PbO(s) + CO2(g) Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Ustulação É o processo térmico que provoca a reação química entre o minério e a atmosfera do forno, pode ser acompanhada de calcinação. PbO(s) CO(g) Pb(l) CO2(g)  Atmosfera que reduz. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Fusão É um processo em que os materiais formados durante as reações químicas são separados em duas ou mais camadas. Dois tipos de camadas importantes são formadas na fundição: metais e escória (resíduo silicoso). Exemplo: CaO(l) + SiO2(l)  CaSiO3(l) Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Refinamento É um processo metalúrgico utilizado para melhorar a pureza e definir uma melhor composição do metal impuro e bruto. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Pirometalurgia do ferro
Fonte: hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4) Produção Para eleminar componentes volateis Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

O coque reage com o oxigênio produzindo gás carbônico C + O2 → CO2 O dióxido de carbono reduz-se formando monóxido de carbono: CO2 + C → 2CO O processo de oxidação do coque com oxigênio libera energia. Na parte inferior do alto forno a temperatura pode alcançar 1900 °C. Fe3O4 + 3CO → 3FeO + 3CO2 FeO + CO → Fe + CO2 Posteriormente, na parte inferior do alto forno, onde a temperatura é mais elevada, ocorre a maior parte da redução dos óxidos com o coque (carbono): Na parte mais inferior do alto forno ocorre a carburação: 3Fe + 2CO → Fe3C + CO2 Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Formação do aço O aço é uma liga de ferro. Na sua produção, as impurezas são removidas por oxidação em um recipiente chamado conversor. Nas usinas, o agente oxidante é O2 puro ou diluído com argônio. A reação do O2 com o enxofre forma o SO2 que serve para remover o fosfóro: 3 CaO(l) + P2O5(l)  Ca3(PO4)2(l) Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Hidrometalurgia Para alguns metais a extração do metal de seus minérios é feita por meio de reações aquosas, a vantagem deste método é que ele não polui a atmosfera como a pirometalurgia. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Lixiviação: Processo em que se dissolve seletivamente o minério que contém o composto. 2Au(CN)2-(aq) Zn(s) Zn(CN)4(aq) Au(s) → Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Hidrometalurgia do alumínio
Fonte: Bauxita (Al2O3 · xH2O) Impurezas presentes: SiO2 e Fe2O3. Processo para purificar a bauxita: Processo de Bayer. - Consiste primeiramente na trituração e depois digestão em uma solução de NaOH, a uma temperatura de 150ºC a 230ºC e a uma pressão suficiente para impedir a ebulição; - Al2O3, ele se dissolve nessa solução, formando o íon complexo aluminato, Al(OH)4-; Al2O3.H2O(s) + 2H2O(l) + 2OH-(aq) → 2Al(OH)4(aq) - O pH da solução é reduzido para que o hidróxido de alumínio se precipite; - O precipitado é calcinado na preparação por eletrorredução - No fim, a solução é aquecida para evaporar a água (procedimento que requer mais energia e portanto encarece a operação) Paragrafos?!?!?!!!??!! Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Eletrometalurgia Muitos processos usados para reduzir minerais metálicos ou metais refinados são baseados na eletrólise. Coletivamente denominamos de eletrometalurgia, são úteis na produção do sódio, magnésio e alumínio. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Eletrometalurgia do Sódio: Este é produzido a partir das eletrólise do sal NaCl fundido em uma célula de Downs. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Anodo de carbono : 2Cl Cl2(g) e- Catodo de ferro: 2Na e-  Na(l) Equação global: Cl Na+  Cl2(g) Na(l)  Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Eletrometalurgia do alumínio
Criolita: Fundente Na3AlF6 Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Parte II Ligação Metálica

Modelo do mar de elétrons
Características mostradas no modelo: Vantagens: 1- Uma rede de cátions metálicos num “mar” de elétrons de valência; 2- Elétrons confinados ao metal por atração eletrostática aos cátions; 3- Elétrons fluem livremente através do metal, pois nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal; 4- Não possui ligações definidas e mostra facilidade de deformação (maleabilidade e ductilidade); Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Propriedades físicas dos metais
1- Alta condutividade térmica; 2- Alta condutividade elétrica; 3- Maleáveis; 4- Dúcteis; 5- Estruturas sólidas; X 6- Pontos de fusão aumentam para o centro dos grupos de metais de transição (tendem ao grupo 6B). Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Modelo do orbital molecular
Superposição dos orbitais atômicos de valência de um átomo metálico com os orbitais atômicos dos vários átomos metálicos ao seu redor; Resulta na formação de orbitais moleculares ligantes e antiligantes; Os orbitais moleculares de uma dada faixa de energia são pouco espaçados, mesmo quando se considera a energia do mais alto e a do mais baixo; 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; Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Desvantagens: 1- Com o aumento do número de elétrons de valência, a força de ligação deveria aumentar, junto com o ponto de fusão; 2- No entanto os metais do grupo 6B (Cr, Mo, W), que estão no centro dos metais de transição, possuem os maiores pontos de fusão; Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

POR QUE ESSE MODELO É MAIS ADEQUADO?
1- Caráter metálico: o número de elétrons disponíveis não preenche completamente a banda de energia; 2- Facilita o movimento de elétrons excitados para um orbital de maior energia (condutividade elétrica e térmica); 3- Ponto de fusão mais alto no meio da série dos metais de transição (grupo 6B); 4- Elétrons livres para se mover ao redor do sólido (maleabilidade e ductilidade). Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Propriedades físicas dos metais

Condutibilidade: Capacidade de conduzir energia térmica, elétrica; Ductibilidade: É uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado até a fratura. Resilência: Capacidade do material absorver energia quando deformado elasticamente. Tenacidade: É a capacidade do material absorver energia até sua fratura. Dureza: É a capacidade de um material resistir ao risco. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Características do Metais
1- Alta condutividade térmica; 2- Alta condutividade elétrica; 3- Maleáveis; 4- Dúcteis; 5- Estruturas sólidas; 6- Pontos de fusão aumentam para o centro dos grupos de metais de transição (tendem ao grupo 6B) Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Isolantes Isolante designa um conjunto de materiais que por suas características físico-químicas confere propriedades úteis ao seu emprego em diversas aplicações industriais ou arquitetônicas por propiciar barreiras ao calor, eletricidade ou som, por exemplo. Classes de isolantes: Isolantes térmicos Isolantes elétricos Isolantes sonoros O que determina se um material será bom ou mau condutor são: Composição química do material : materiais diferentes têm condutividades térmicas diferentes em decorrência das ligações em sua estrutura atômica ou molecular; Densidade Características físicas: materiais fibrosos ou porosos Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Isolantes Possuem altos valores de resistência elétrica e por isso não permitem a livre circulação de cargas elétricas, por exemplo borracha,silicone,vidro, cerâmica. O que torna um material bom condutor elétrico é a grande quantidade de elétrons livres que ele apresenta à temperatura ambiente, com o material isolante acontece o contrário, ele apresenta poucos elétrons livres à temperatura ambiente. Os isolantes elétricos são separados de acordo com a tensão que se quer fazer o isolamento Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Semicondutores Semicondutores são sólidos cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente elétrica. Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Semicondutores Semicondutor de Silício Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Ligas Metálicas Liga metálica é uma mistura de substâncias cujo componente principal é um metal. -Quando misturamos dois ou mais metais ou um metal com outra substância não necessariamente metálica, podemos conseguir um material com certas propriedades que cada substância não tinha individualmente e que serão úteis para determinada aplicação. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Exemplos de ligas: Aço: liga de ferro e carbono Bronze: liga de cobre e estanho Latão: liga de cobre e zinco Ouro 18 quilates: liga de ouro e cobre Aço inoxidável: ferro, carbono, cromo e níquel. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Ligas substituintes: São ligas em que os átomos do soluto ocupam o lugar do solvente. - Esta precisa que o átomo de soluto tenha dimensões próximas a do solvente, além de terem propriedades elétricas parecidas. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Ligas Intersticiais: São ligas em que os átomos de soluto ocupam os vales intersticiais da rede metálica. -O átomo de soluto tenha um raio significantemente menor em relação ao do solvente. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Super Ligas São ligas que se constituem de vários materiais que possuem alguma característica física elevada.Estas possuem combinações superlativas de propriedades.Normalmente formadas por: Nb, Fe, Ti, Mo e Cr Ex: Nióbio: temperatura de fusão °C Tântalo: Alta resistência a corrosão. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Metais de transição Propriedades físicas: Ocupam o bloco d da tabela periódica; Crescente importância dos metais de transição antes desconhecidos, devido à sua utilização na tecnologia moderna (exemplo motor de jato). 38% - Titânio 37% - Níquel 12% - Cromo 06% - Cobalto 05% - Alumínio 01% - Nióbio 0,02% - Tântalo Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Propriedades atômicas (exemplo raios atômicos); - tendência de maneira regular ao longo de cada série; Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Configurações eletrônicas e estados de oxidação
- +2, devido à perda de seus dois elétrons ns mais externos; - caso acima de +2, deve-se às perdas sucessivas de elétrons (n-1)d; - exceção: Sc, íon +3 tem configuração particularmente estável. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Dipolo Magnético Elétrons que circulam ao redor de núcleos atômicos, de seus próprios eixos, e de núcleos atômicos carregados positivamente são todos dipolos magnéticos. A soma destes efeitos pode se cancelar, de forma que um determinado tipo de átomo pode não ser um dipolo magnético. Se eles não se cancelam completamente, o átomo é um dipolo magnético permanente, como são, por exemplo, os átomos de ferro. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Magnetismo: É o fenômeno pelo qual os materiais impõem uma força ou influência de atração ou de repulsão sobre outros materiais. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Diamagnetismo É uma forma muito fraca de magnetismo que não é permanente e que persiste apenas em quanto um campo externo está sendo aplicado.A magnitude do momento magnético produzido é pequena e ocorre em direção oposta ao campo aplicado, ocorre repulsão. Ex: benzeno Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Paramagnetismo: Ocorre em átomos em que o momento dipolo é permanente, ou seja, não houve o cancelamento dos momentos dipolos dos átomos .Inicialmente estes dipolos estão desalinhados, porém quando submetidos a uma magnetização externa, estes se alinham no sentido do campo externo gerado, portanto eles aumentam a força do campo externo. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

O forte paramagnetismo diminui de intensidade com o aumento da temperatura, devido ao desalinhamento produzido pela grande movimentação dos elétrons. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Ferromagnetismo: Característico de materiais que possuem momento magnético permanente ( magnetita, ferrita) na ausência de um campo externo, manifestam magnetizações muito intensas. O ferromagnetismo diminui com o aumento da temperatura. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Química em alguns metais de transição
Cromo (Cr) - Na ausência de ar, o Cr se dissolve em ácido clorídrico ou ácido sulfúrico, formando uma solução azul com íon de Cr2+; - Na presença de ar, o Cr2+ oxida facilmente para Cr3+; Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Ferro (Fe) - Em solução aquosa existem os estados de oxidação +2 (ferroso) e +3 (férrico); - Geralmente aparece em solução aquosa devido ao contato com depósitos de FeCO3, com ajuda do CO2 dissolvido na água: FeCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l)  Fe2+(aq) + 2 HCO3-(aq) - Na presença de ar, o Fe2+ é oxidado a Fe3+: 4 Fe2+(aq) + O2(g) + 4 H+(aq)  4 Fe3+(aq) + 2 H2O(l) E°=+0,46 V Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Massa atômica: 55,845(u) Raio atômico: 140pm Configuração eletrônica: [Ar]3d64s2 Estrutura Cristalina: CCC Ferromagnético Temperatura de Fusão: 1538 °C O Fe+2 juntamente os cátions Ca+2 e Mg+2 contribuem para a dureza da água. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Cobre Apresenta os seguintes estados de oxidação: +1, +2. E configuração eletrônica: [Ar]3d104s1 Estrutura cristalina CFC Os sais de Cu+ são geralmente insolúveis em água e possuem coloração branca. Porém grandes quantidades de sais de Cu+2 são solúveis em água como:CuSO H2O, Cu(NO3)2 2Cu+(aq) Cu+2(aq) Cu(s) Normalmente o CuSO4 é adicionado a água para deter o crescimento de algas e fungos, somente é tóxico ao homem em elevadas quantidades. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Conclusão A metalurgia visa o entendimento das propriedades dos metais para desenvolvimento de novos materiais úteis. Principais processos: pirometalurgia, hidrometalurgia e eletrometalurgia. As ligas metálicas são muito empregadas na tecnologia moderna. A metalurgia atual está desenvolvendo novos métodos que buscam minimizar os impactos sobre o meio ambiente. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

Bibliografia T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten e J. R. Burdge. Química: A Ciência Central, 9ª. ed.. São Paulo: Pearson, 2005. Willian D. Callister , Jr. – Ciência e Engenharia de materiais uma Introdução. Universidade Federal de Engenharia de Itajubá

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