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Capítulo 23: Metais e Metalurgia

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Capítulo 23: Metais e Metalurgia. Iuri Tiago Martins Angelo 17084 EEL Lucas Lugatto Emerencio 17096 EEL Professor: Dr. Élcio Rogério Barrak. Introdução.

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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

introdu o
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

ocorr ncia e distribui o dos metais
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
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
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

etapas da metalurgia

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
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

opera es da pirometalurgia
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
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 ferro1
Pirometalurgia do Ferro

Reações:

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

pirometalurgia do ferro2
Pirometalurgia do Ferro

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

forma o do a o
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
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
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 s dio
Eletrometalurgia do Sódio

Célula de Downs

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

eletrometalurgia do alum nio
Eletrometalurgia do Alumínio

Célula de eletrolise do processo de Hall

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

eletrorefinamento do cobre
Eletrorefinamento do Cobre

Célula eletrolítica para refinamento do cobre

UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá

liga o met lica
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
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 transi o
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 transi o propriedades f sicas
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

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metais de transi o configura es eletr nicas e estados de oxida o
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

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metais de transi o magnetismo
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

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qu mica de alguns metais de transi o cromo
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

qu mica de alguns metais de transi o ferro
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

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qu mica de alguns metais de transi o cobre
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

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refer ncias bibliogr ficas
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

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