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

Aluno : Felipe Vieira Orlando Diogo Ferraz Gorgulho

Universidade Federal de engenharia de Itajubá

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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.

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Distribuição

• Partes do nosso planeta• A maioria dos metais úteis não é encontrada em abundância na litosfera, a qual é de fácil acesso.


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.


Fontes de alguns metais


Magnetita

Magnetita –formado pelos óxidos de ferro II e III ( FeO . Fe2O3 ), cuja fórmula química é Fe3O4


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.

Metalurgia


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

-RefinamentoUniversidade Federal de Engenharia de

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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)


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.

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)


Refinamento

É um processo metalúrgico utilizado para melhorar a pureza e definir uma melhor composição do metal impuro e bruto.


Pirometalurgia do ferro

• Fonte: hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4)

• Produção


O coque reage com o oxigênio produzindo gás carbônicoC + O2 → CO2

O dióxido de carbono reduz-se formando monóxido de carbono:CO2 + C → 2COO 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


Formação do açoO 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)



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.


Lixiviação:Lixiviação:• Processo em que se dissolve seletivamente o

minério que contém o composto. 2Au(CN)2

-(aq) + Zn(s) Zn(CN)4(aq) + 2Au(s)


→

Hidrometalurgia do alumínioFonte: 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)Universidade Federal de Engenharia de

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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.


Eletrometalurgia do Sódio:Eletrometalurgia do Sódio:Este é produzido a partir das eletrólise do sal NaCl fundido

em uma célula de Downs.



Anodo de carbono : 2Cl- Cl2(g) + 2e-

Catodo de ferro: 2Na+ + 2e- 2Na(l)

Equação global: 2Cl- + 2Na+ Cl2(g) + 2Na(l)

Eletrometalurgia do alumínio


Criolita: FundenteNa3AlF6

Parte IILigação 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);


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).


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

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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;



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).


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.

Características do MetaisCaracterísticas 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)


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


IsolantesPossuem 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


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.


Semicondutores

• Semicondutor de Silício


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.


• 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.


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.


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.

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 CrEx: Nióbio: temperatura de fusão 3410 °CTântalo: Alta resistência a corrosão.


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% - TântaloUniversidade Federal de Engenharia de Itajubá

• Propriedades atômicas (exemplo raios atômicos);- tendência de maneira regular ao longo de cada série;


Configurações eletrônicas e estados de oxidação

• 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.


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.



Magnetismo:


É o fenômeno pelo qual os materiais impõem uma força ou influência de atração ou de repulsão sobre outros materiais.

DiamagnetismoDiamagnetismo

• 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



Paramagnetismo: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.


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



Ferromagnetismo: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.



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+;


• 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



Massa atômica: 55,845(u)Raio atômico: 140pmConfiguração eletrônica: [Ar]3d64s2

Estrutura Cristalina: CCCFerromagnéticoTemperatura de Fusão: 1538 °C

O Fe+2 juntamente os cátions Ca+2 e Mg+2

contribuem para a dureza da água.

Cobre


Apresenta os seguintes estados de oxidação: +1, +2. E configuração eletrônica: [Ar]3d104s1

Estrutura cristalina CFCOs 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:CuSO4 . 5H2O, 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.

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.



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.

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Willian D. Callister , Jr. – Ciência e Willian D. Callister , Jr. – Ciência e Engenharia de materiais uma Engenharia de materiais uma Introdução.Introdução.


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