Capítulo 23: Metais e Metalurgia

Capítulo 23: Metais e Metalurgia Iuri Tiago Martins Angelo 17084 EEL Lucas Lugatto Emerencio 17096 EEL Professor: Dr. Élcio Rogério Barrak UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Introdução Os metais têm tido um papel importante no desenvolvimento da civilização, sendo utilizados na fabricação de máquinas, ferramentas e outros itens. Neste seminário serão discutidos: • As formas químicas nas quais os elementos metálicos ocorrem na natureza; • Os meios pelos quais obtemos os metais a partir dessas fontes; • A ligação nos sólidos; • Como metais e suas misturas são empregados na tecnologia moderna; • Propriedades dos metais de transição. Fábrica Volkswagen UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Ocorrência e Distribuição dos Metais • A litosfera fornece a maioria dos materiais que usamos; • Temos acesso limitado a apenas uma pequena região da superfície do planeta; • A distribuição dos metais geralmente ocorre em depósitos concentrados (jazidas); • Minérios: depósitos que contêm metais em quantidades economicamente exploráveis ; • Normalmente os compostos ou elementos que desejamos devem ser separados de materiais não desejados (refinamento). Terra UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Minerais • A maioria dos elementos metálicos é encontrada na natureza em compostos inorgânicos sólidos chamados minerais; • As fontes mais importantes de metais são os óxidos, sulfetos e carbonatos minerais; Calcopirita Rutilo UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Metalurgia • É a ciência e a tecnologia de extração de metais a partir de suas fontes naturais e preparação delas para uso; • Existem vários tipos de processos metalúrgicas sendo que cada um é específico para cada tipo de mineral. Região de exploração de minério de ferro da Vale no Pará UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Mineração Concentração do minério Redução do minério Refinamento Mistura do metal com outros elementos Etapas da Metalurgia Processo de extração do minerais. O estágio de concentração baseia-se nas diferenças das propriedades do mineral e no material não desejado que o acompanha, chamado ganga. Etapa que consiste na obtenção do metal livre. Retirada das impurezas presentes em um metal bruto a partir desse processo metalúrgico. Processo para modificar as propriedades do metal o que acaba produzindo uma liga, material metálico composto de 2 ou mais elementos. UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Pirometalurgia • Processo metalúrgico que consiste na utilização de altas temperaturas para alterar o mineral quimicamente, reduzindo-o ao metal livre; • A pirometalurgia é dividida em 3 operações: calcinação, ustulação e fusão; • As operações pirometalúrgicas podem envolver não apenas a concentração e redução de um mineral, mas também o refinamento do metal. ICAL - Indústria de Calcinação UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Operações da Pirometalurgia Calcinação: É o aquecimento de um minério para realizar sua decomposição e a eliminação de um produto volátil, como CO₂ ou H₂O, presentes em um minério. Os carbonatos geralmente são calcinados para eliminar o CO₂ e formar óxido metálico. Por exemplo: Ustulação: É um tratamento térmico que provoca reações químicas entre os minérios e a atmosfera dos fornos. Um importante processo é a oxidação dos sulfetos minerais, nos quais o metal é convertido a óxido. Por Exemplo: Fusão: é o processo em que os materiais formados durante as reações químicas são separados em duas ou mais camadas. O metal fundido pode consistir quase inteiramente de um só metal ou pode ser uma solução de dois ou mais metais. UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Pirometalurgia do Ferro • A mais importante operação pirometalúrgica é a redução do ferro, pois está presente em muitos materiais diferentes; • As fontes mais utilizadas de ferro são os minerais de magnetita (Fe₃O₄) e hematita (Fe₂O₃); • A redução dos óxidos de ferro pode ser realizada em um alto-forno, que é basicamente um reator químico; • Um dos produtos da pirometalurgia é a escória, que consiste principalmente em minerais de silicato fundido com aluminatos, fosfatos e outros compostos iônicos; • O outro produto é o próprio metal, que no caso é o ferro sólido que poderá ser utilizado na formação do aço. Alto-Forno UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Pirometalurgia do Ferro Reações: UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Pirometalurgia do Ferro UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Formação do Aço • O aço é uma liga de ferro; • A produção de ferro a partir de seu minério é um processo de redução química que resulta em um ferro bruto contendo muitas impurezas indesejáveis; • Na produção do aço, essas impurezas são removidas através da oxidação em um recipiente chamado conversor; Conversor de Refinamento de Ferro UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Hidrometalurgia • O metal é extraído do minério através de reações aquosas. • A lixiviação é o processo hidrometalúrgico mais importante. É utilizado para extrair um metal, por exemplo o ouro, do seu minério. • Outro método, que é bastante utilizado para extração do alumínio da bauxita, é o processo de Bayer. Bauxita Pepita de Ouro UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Eletrometalurgia • Processo utilizado para reduzir minerais metálicos ou metais refinados, que é baseado na eletrólise. • Importante para obtenção de metais mais ativos como sódio, magnésio e alumínio; • Os metais obtidos a partir da eletrometalurgia não podem ser obtidos a partir de soluções aquosas pois a água se reduz mais facilmente que os íons metálicos; • Para obter tais metais pela eletroquímica, usa-se como meio uma solução adequada que depende do metal que se deseja. Charles M. Hall (1863-1914) UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Eletrometalurgia do Sódio Célula de Downs UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Eletrometalurgia do Alumínio Célula de eletrolise do processo de Hall UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Eletrorefinamento do Cobre Célula eletrolítica para refinamento do cobre UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Ligação Metálica Propriedades físicas dos metais: • Alta condutividade térmica • Alta condutividade elétrica • Lustre característico • Maleabilidade. 1) Modelo de mar de elétrons: • O metal é visualizado como uma rede de cátions em um mar de elétrons de valência. • Os elétrons são móveis e não estão confinados a qualquer íon metálico. 2) Modelo de orbital molecular para os metais: • Modelo no qual os orbitais atômicos de valência em um átomo metálico superpõe-se com os dos vários vizinhos mais próximos, que por sua vez superpõem-se com orbitais atômicos em outros átomos. Modelo mar de elétrons UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Ligas • Material que contém mais de um elemento e tem as propriedades características dos metais; • Uma forma de modificar as propriedades dos elementos metálicos puros; Classificação: • Ligas de solução; • Liga heterogênea; • Compostos intermetálicos; Liga de Ferro UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Metais de Transição • Alguns dos metais mais importantes da sociedade moderna; • São utilizados na tecnologia moderna como, por exemplo, em motores a jato de alto desempenho. UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Metais de Transição: Propriedades Físicas • A energia de ionização e o raio atômico são características dos átomos isolados. Variam de modo similar. • 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 que as distâncias de ligação aumentem. • Densidade e ponto de fusão são características do sólido metálico como um todo. Folha de ouro e fio de cobre, respectivamente UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Metais de Transição: Configurações Eletrônicas e Estados de Oxidação • Os metais de transição devem suas posições na tabela periódica ao preenchimento do subnível d; • Mas ao serem oxidados perdem elétrons do subnível s antes de perder os do subnível d; • A existência de elétrons no subnível d é parcialmente responsável por várias características dos metais de transição, como: • Exibição de mais de um estado de oxidação; • Cor; • Propriedades magnéticas. Estados de oxidação da primeira série de transição UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Metais de Transição: Magnetismo • As medidas das propriedades magnéticas fornecem informações sobre a ligação química; • As propriedades magnéticas são muito importantes para tecnologia moderna; • Devido ao “spin”, o elétron se comporta como um imã minúsculo; • Tipos de substâncias: • Diamagnéticas; • Paramagnéticas; • Ferromagnéticas; Imã Permanente (a) Diamagnético (b) Paramagnético (c) Ferromagnético UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Química de alguns Metais de Transição: Cromo • O cromo dissolve-se lentamente no ácido clorídrico ou sulfúrico; • Na presença do ar, o Cr2+ é rapidamente oxidado por O2; • O cromo é frequentemente encontrado em soluções aquosas no estado de oxidação +6; • Os íons mais estáveis em solução básica e ácida são, respectivamente, o íon cromato amarelo (CrO42-) e o íon dicromato (Cr2O72-); Da esquerda para direita: Íon hidratado [Cr(H2O6)]3+ , [(H2O)4Cr(OH)2Cr(H2O)4]4+, K2Cr2O7, Na2CrO4. UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Química de alguns Metais de Transição: Ferro • Estados de oxidação do ferro em solução aquosa: +2 (ferroso) e +3 (férrico); • O Fe2+ dissolvido, com Ca2+ e Mg2+, contribui para dureza da água; • Na presença de ar o Fe2+(aq)tende a ser oxidado a Fe3+(aq), que pode ser visto como manchas marrons no gotejamento de torneiras, por exemplo (figura I). • No estado de oxidação +3, o ferro é solúvel em soluções ácidas. Quando uma solução ácida de ferro (III) torna-se mais básica, um precipitado marrom-avermelhado gelatinoso se forma (figura II). I II UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Química de alguns Metais de Transição: Cobre • Exibe dois estados de oxidação: +1 (cuproso) e +2 (cúprico); • No estado de oxidação +1 ele possui configuração eletrônica 3d10, possui cor branca e geralmente são insolúveis em água; • Por causa dessa reação e porque o cobre (I) é facilmente oxidado para cobre (II), o estado de oxidação +2 é o mais comum; • Muitos sais de cobre (II) são solúveis em água; • O sulfato de cobre penta-hidratado é um sal bastante usado em experiências (figura I); • As soluções aquosas nas quais o íon cobre (II) esta coordenado por moléculas de água são geralmente azuis; • CuS é um dos compostos de cobre (II) menos solúveis; • O Cu(OH) é um dos compostos insolúveis de cobre (II) (figura II). I II UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Referências Bibliográficas Livro: Química: a ciência central. Brown, Theodore L., 9ª edição. Editora: Pearson. Capítulo consultado: 23. Sites: http://www.youtube.com/watch?v=UtMy4ZY3jgc http://www.elcio.unifei.edu.br http://www.prenhall.com/brown_br UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

Capítulo 23: Metais e Metalurgia