Metais e Metalurgia Paulo Roberto Ponzoni de Abreu

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1 Metais e Metalurgia Paulo Roberto Ponzoni de Abreu - 15779
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Metais e Metalurgia Paulo Roberto Ponzoni de Abreu Sidney Augusto de Castro

2 Ocorrência e distribuição dos metais Pirometalúrgia Hidrometalúrgia
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Ocorrência e distribuição dos metais Pirometalúrgia Hidrometalúrgia Electrometalúrgia Ligação metálica Ligas Metais de transição Química de alguns metais de transição

3 Ocorrência e distribuição dos metais
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Ocorrência e distribuição dos metais Minerais: a maioria dos elementos metálicos encontrados na natureza em composto inorgânicos sólidos. Minério: depósito que contêm metal suficiente para ser extraído economicamente. Depósitos de metais concentrados são encontrados abaixo da superfície terrestre. Slide 3 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Malaquita Slide 4 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Metalurgia É a ciência e a tecnologia de extração de metais a partir de sua fontes naturais e de sua preparação para uso prático.Existem cincos etapas importantes: Mineração (remoção de minérios do solo)‏ Concentração (preparação para tratamento futuro)‏ Redução (obtenção do metal livre no estado de oxidação zero)‏ Refino (obtenção do metal puro)‏ Mistura com outros metais ( para formar uma liga)‏ Slide 5 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia A Mineração Taboca - Mina de Pitinga, empresa do Grupo Paranapanema, situa-se na reserva indígena Waimiri Atroiari, no município de Presidente Figueiredo, a cerca de 330 km de Manaus - AM. Os depósitos minerais são compostos principalmente de cassiterita, columbita, tantalita, zirconita, xenotima e criolita. Slide 6 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Pirometalurgia É a uso de altas temperaturas para obtenção de metais livres Um grande números de processos metalúrgicos usam o calor para alterar ou reduzir os minerais. 2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO2 2 Cu2O + Cu2S → 6 Cu + SO2 Slide 7 de 45

8 Diversas Etapas são empregadas:
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Diversas Etapas são empregadas: Calcinação é o aquecimento do minério para provocar a decomposição e a eliminação de um produto volátil A maioria dos carbonatos decompõe-se de maneira razoavelmente fácil em temperaturas na faixa de 400 a 500 ° C Slide 8 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia A ustulação é um tratamento térmico que provoca reações químicas entre o minério e a atmosfera dos fornos. A ustulação pode a oxidação ou a redução e pode ser acompanhada pela calcinação. Um importante processo é a oxidação dos minerais sulfeto, nos quais o metal é convertido em óxido. Slide 9 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia O método de redução não é sempre possível especialmente com metais ativos , que são difíceis de reduzir. Slide 10 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia 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 Slide 11 de 45

12 Pirometalurgia do ferro
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Pirometalurgia do ferro O ferro esta presente na maioria dos minerais diferentes.OS importantes são a magnetita (Fe3O4) e hematita (Fe2O3 )‏ Hematita Magnetita Slide 12 de 45

13 A redução do ferro é feita em alto-forno
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia A redução do ferro é feita em alto-forno A 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 Slide 13 de 45

14 O coque reage com o oxigênio para formar o CO ( o agente redutor)‏
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Para a produção de 1 kg de ferro gusa necessita de aproximadamente 2 kg de minério , 1 kg de coque , 0,3 kg de calcário e 1,5 kg de ar. O coque reage com o oxigênio para formar o CO ( o agente redutor)‏ O CO é tambem produzido pela reação do vapor d’agua no ar com C: Slide 14 de 45

15 Os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO:
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Em torno de 250°C, o calcário é calcinado (aquecido para decomposição e eliminação dos voláteis). Os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO: O ferro fundido é produzido bem abaixo no alto-forno removido no fundo. A escória (materiais de silicato fundido) é removida acima do ferro derretido. Slide 15 de 45

16 O ferro fundido é convertido em aço, uma liga de ferro.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Se o ferro vai ser transformado em aço, ele é derramado diretamente em uma fornalha básica de ferro O ferro fundido é convertido em aço, uma liga de ferro. Para remover as impurezas , o 02 é soprado através da mistura derretida. Assim o oxigênio oxida as impurezas Slide 16 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Hidrometalurgia As operações pirometalúrgicas necessitam de grandes quantidades de energia e, geralmente , são uma fonte de poluição atmosférica, sobretudo pelo dióxido de enxofre. Para alguns metais, outras técnicas tem sido desenvolvida nas quais o metal é extraído de seus minérios por meio de reações aquosas. Slide 17 de 45

18 Hidrometalúrgia do Alumínio
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia O processo hidrometalúrgico mais importante é a lixiviação, na qual o composto desejado contendo o metal é dissolvido seletivamente. Hidrometalúrgia do Alumínio O alumínio é o segundo metal mais útil. A bauxita é um mineral que contém Al como Al2O3.xH2O. Slide 18 de 45

19 A solução de aluminato é separada através da redução do pH
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia O processo de Bayer O minério triturado é dissolvido em NaOH 30% ( em massa) a 150 – 230°C e alta pressão ( 30 atm para impedir a ebulição)‏ Al2O3 dissolve A solução de aluminato é separada através da redução do pH A solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o metal Slide 19 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Eletrometalúrgia Muitos processos usados para reduzir minerais metálicos ou metais refinados são baseados na eletrólise. Os procedimentos eletrometalúrgicos podem ser muito diferenciados de acordo com o fato de se envolver eletrólise de sal fundido ou de solução aquosa. Slide 20 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia O sódio é produzido por eletrólise do NaCl fundido em uma célula de Downs O CaCl2 é usado para reduzir o ponto de fusão do NaCl de 804°C para 600°C Na(l) e Cl2(g) produzido na eletrólise são mantidos de forma a não entrar em contato e formar novamente NaCl Na não pode entrar em contato com o oxigênio porque o metal oxidaria rapidamente sob condições de alta temperatura. Slide 21 de 45

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23 Eletrometalúrgia do Alumínio
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Eletrometalúrgia do Alumínio Slide 23 de 45

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25 Eletrometalúrgia do Cobre
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Eletrometalúrgia do Cobre Slide 25 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia As impurezas do anodo de cobre incluem chumbo, zinco, níquel, arsênio, selênio, telúrio e vários outros metais preciosos, inclusive ouro e prata. As impurezas metálicas mais ativas que o cobre são oxidadas rapidamente no anodo, mas não se incrustam no catodo porque seus potenciais de redução são mais negativos que o potencial para Cu2+.Entretanto, metais menos ativos não são oxidados no anodo. Slide 26 de 45

27 Propriedades físicas dos metais
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Propriedades físicas dos metais A superfície limpa tem um lustre característico. Quando tocados, transmitem uma sensação fria característica, relacionada a alta condutividade térmica deles. Altas condutividades elétricas. São maleáveis. Slide 27 de 45

28 Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica Os elétrons estão uniformemente distribuídos pela estrutura. São móveis. Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal. Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal. Sem quaisquer ligações definidas, os metais são fáceis de deformar (e são maleáveis e dúcteis). A alta condutividade térmica é explicada pela mobilidade dos elétrons, o que permite a transferência da energia cinética. Slide 38 de 45

29 Porém, os pontos de ebulição mais altos são os do grupo 6B.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia À medida que o número de elétrons aumenta, a força da ligação deveria aumentar e o ponto de fusão deveria aumentar. Porém, os pontos de ebulição mais altos são os do grupo 6B. Slide 29 de 45

30 Modelo do orbital molecular para os metais
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Modelo do orbital molecular para os metais A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em um átomo interajam com orbitais atômicos em átomos vizinhos. Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons deslocalizados sobre um anel. O número de orbitais moleculares é igual ao número de orbitais atômicos. Nos metais há um número muito grande de orbitais. Slide 30 de 45

31 O número de elétrons não preenche completamente a banda de orbitais.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia À medida que o número de orbitais aumenta, seu espaçamento de energia diminui e eles se ligam. O número de elétrons não preenche completamente a banda de orbitais. Conseqüentemente, os elétrons podem ser promovidos para bandas de energia desocupadas. Sob a influencia de qualquer fonte de excitação, os elétrons movimentam-se para dentro dos níveis anteriormente vagos e podem se mover livremente pela rede. Isso da origem a condutividade térmica e elétrica. Slide 31 de 45

32 Ligas Possui mais de um elemento com características de metais.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Ligas Possui mais de um elemento com características de metais. Modifica as propriedades de elementos puros. Usa-se uma liga de ouro e cobre para a confecção de jóias, já que o ouro puro é relativamente macio. As ligas podem ser classificadas como ligas de solução ou ligas heterogêneas. Slide 32 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Ligas de Solução As ligas podem ser classificadas como ligas de solução ou ligas heterogêneas. São misturas homogêneas com componentes dispersos aleatória e uniformemente. Liga substitucional: átomos do soluto substitui átomos do solvente. Raios atômicos similares. (diferenças de ate 15%)‏ Slide 33 de 45

34 Liga intersticial: átomos do soluto ocupam áreas intersticiais.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Liga intersticial: átomos do soluto ocupam áreas intersticiais. Raio do componente presente nas posições intersticiais deve ser muito menor. Liga mais forte, mais dura e menos dúctil. Slide 34 de 45

35 Os componentes não estão dispersos uniformemente.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Ligas Heterogêneas Os componentes não estão dispersos uniformemente. As propriedades dependem não só da composição, mas também da maneira pela qual o sólido é formado a partir da mistura fundida. Resfriamento rápido ou lento. Slide 35 de 45

36 Ocupam o bloco d da tabela periódica.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Metais de transição Ocupam o bloco d da tabela periódica. Envolvem elementos importantes como cromo, ferro, níquel e cobre. Slide 36 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia A energia de ionização e o raio atômico são características dos átomos isolados. Variam de formas similares. 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 as distancias de ligação aumentem. Densidade e o ponto de fusão são características do sólido metálico como um todo. Slide 37 de 45

38 Configurações eletrônicas e estados de oxidação
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Configurações eletrônicas e estados de oxidação Os metais de transição perdem os elétrons s antes dos elétrons d. Exemplo: Fe: [Ar]3d64s2, Fe2+: [Ar]3d6. Os elétrons d são responsáveis por algumas propriedades importantes: – os metais de transição têm mais de um estado de oxidação, – os compostos de metais de transição são coloridos (devido às transições eletrônicas), – os compostos de metais de transição têm propriedades magnéticas. Slide 38 de 45

39 Todos os estados de oxidação para os metais são positivos.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Todos os estados de oxidação para os metais são positivos. A perda de ambos eletrons s gera o estado de oxidacao +2, sendo este muito comum.(Exceção: o estado de oxidação +3 é isoeletrônico com o Ar.)‏ O Mn possui o estado de oxidacao comum maximo, +7. Slide 39 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Magnetismo As propriedades magnéticas fornecem informações sobre a ligação química. O spin do elétron faz com que ele se comporte como um imã. Quando dois spins são contrários os campos magnéticos se cancelam (diamagnético). Quando os spins estão desemparelhados, os campos magnéticos não se cancelam (paramagnético). Slide 40 de 45

41 Diamagnético (nenhum átomo ou íon com momentos magnéticos).
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Diamagnético (nenhum átomo ou íon com momentos magnéticos). Paramagnético (momentos magnéticos não alinhados fora de um campo magnético). Ferromagnético (centros magnéticos acoplados alinhados em um sentido comum). Slide 41 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Cromo Na ausência de ar, o Cr reage com ácido para formar uma solução azul de Cr2+ : Cr(s) + 2H+(aq) → Cr2+(aq) + H2(g)‏ Na presença de ar, o Cr2+ oxida-se facilmente a Cr3+: 4Cr2+(aq) + O2(g) + 4H+(aq) → 4Cr3+(aq) + 2H2O(l)‏ Na presença de Cl-, o Cr3+ forma o íon verde Cr(H2O)4Cl2+. Em solução aquosa, o Cr normalmente está presente no estado de oxidação +6. Slide 42 de 45

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Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Ferro Em solução aquosa, o ferro está presente nos estados de oxidação +2 (ferroso) ou +3 (férrico). O ferro reage com agentes não-oxidantes para formar Fe2+(aq). Na presença de ar, o Fe2+ é oxidado a Fe3+. Como com a maior parte dos íons metálicos, o ferro forma íons complexos, Fe(H2O)6 + á n+ em água. Em solução ácida, o Fe(H2O)63+ é estável, mas em base o Fe(OH)3 precipita-se. Se NaOH é adicionado a uma solução de Fe3+(aq), forma-se um precipitado amarronzado de Fe(OH)3. Slide 43 de 45

44 Cobre Em solução aquosa, o cobre tem dois estados de oxidação
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Cobre Em solução aquosa, o cobre tem dois estados de oxidação dominantes: +1 (cuproso) e +2 (cúprico). O Cu+ tem uma configuração eletrônica 3d 10. Os sais de Cu(I) tendem a ser brancos e insolúveis em água. O Cu(I) desproporciona-se: 2Cu+(aq) → Cu2+(aq) + Cu(s)‏ Slide 44 de 45

45 O Cu(II) é o estado de oxidação mais comum.
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia O Cu(II) é o estado de oxidação mais comum. O vitríolo azul é CuSO4.5H2O. Em solução aquosa, quatro moléculas de água estão coordenadas ao Cu e uma está ligada através de ligação de hidrogênio ao sulfato. Dentre os sais de cobre(II) solúveis em água, incluem- se Cu(NO3)2, CuSO4 e CuCl2. Entretanto, o Cu(OH)2 é insolúvel e pode ser precipitado pela, adição de NaOH a uma solução contendo íons de Cu2+. Slide 45 de 45

46 Referências BiBliográficas
Universidade Federal de Itajubá Química Geral Qui Metais e Metalurgia Referências BiBliográficas Química: A Ciência Central, 9ª ed.. Brown, LeMay, Bursten