UnB/IQCurso de graduação

QUÍMICA INORGÂNICA BÁSICA

PROFESSORES: JOSÉ A. DIAS E SÍLVIA C. L. DIAS

Alumínio

- Introdução

- Distribuição e abundância

- Principais minerais

- Obtenção de Al elementar:

- Mineração

- Refinaria

- Redução

- Estrutura e propriedades do Al2O3

- Propriedades químicas do alumínio

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Introdução

O nome Alumínio, deriva do latim alumen, um salduplo de alumínio e potássio KAl(SO4)2.12H20.

Na Grécia e Roma antiga era usadocomo mordente em tinturaria e adstringente namedicina.

O físico e químico Hans Christian Ørsted foi oprimeiro a isolar o metal impuro, usando a reaçãode potássio diluído amálgamado em AlCl3.

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Introdução

Em 1827, Friedrich Wöhler melhorou o métodousando potássio metálico.

Em 1854, H. St.-C. Deville tornou o processoviável comercialmente, usando o sódio.

No mesmo ano, Deville e R. W. Bunsen,independentemente, separaram o alumíniometálico por eletrolise fundida do NaAlCl4.

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Introdução

De número atômico = 13

Com massa atômica = 27 g/mol

Configuração eletrônica: [Ne] 3s23p1

Energia de ionização (1ª) = 577,5 kJ/mol

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Distribuição e abundância

O alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre (8,3%em massa).

É o maior constituinte do minerais ígneos , incluindo osfeldspatos e as micas.

Os feldspatos e as micas em climas temperados, dão origem aosargilominerais, como caulinita [Al2(OH)4Si2O5] e vermiculita.

Também encontrado nos minerais raros como criolita (Na3AlF6),espinélio (MgAl2O4), garnet [Ca3Al2(SiO4)3] e berilo (Be3Al2Si6O18).

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Até o momento, não existem rotas econômicas para aextração de Al das argilas.

Em ambientes quentes e úmidos, ocorre a lixiviaçãoda estrutura da argila formando a bauxita (óxido dealumínio impuro).

Os países armazenadores e produtores de bauxitaestão principalmente próximos da linha do equador(e.g., Austrália, Guiné, Brasil, Jamaica).

Distribuição e abundância

A bauxita ocorre nas regiões tropicais e sub-tropicais.

Os principais países produtores são: Austrália, China,Brasil, Índia, Guiné e Jamaica.

O Brasil ocupa o 4º lugar no ranking mundial deprodutores de bauxita (2017) e tem a 4ª maior reserva debauxita (potencial da ordem de 2,5 bilhões de toneladas)concentrada principalmente na Região Norte do país, noestado do Pará.

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Distribuição e abundância

Bauxita é uma rocha sedimentar com relativamente alto teor de Al. É a maior fonte mundial de Al.

Consiste dos seguintes minerais: gibbsita (Al(OH)3),boehmita (γ-AlO(OH)) e diáspora (α-AlO(OH)),misturada com dois óxidos de ferro goethita(FeO(OH)) and hematita (Fe2O3), uma argila mineralde alumínio (caulinita, Al2Si2O5(OH)) e pequenasfrações de anatase (TiO2) e ilmenita (FeTiO3 ouFeOTiO2).

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Obtenção de alumínio metálico

Apesar do alumínio ser um metal encontrado em abundância nacrosta terrestre (8,3%) raramente é encontrado livre.

Quando foi descoberto verificou-se que a sua separação dasrochas que o continham era extremamente difícil.

Durante algum tempo, foi considerado um metal precioso, maisvalioso que o ouro.

Sua obtenção depende de etapas de processamento até chegar aoestado em que o vemos normalmente. O processo se dá em trêsetapas: Mineração, Refinaria e Redução.

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Mineração

A bauxita deve conter no mínimo 30% em óxido dealumínio (Al2O3) para ser econômica a sua exploração.

Este mineral é extraído da natureza e através dele seobtém a alumina (Al2O3).

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Mineração

A mineração da bauxita pode ser assim exemplificada:

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Refinaria

As principais fases da produção de alumina, desde aentrada do minério até a saída do produto final são:

Moagem

Digestão (aquecimento e dissolução) com NaOH

Filtração/evaporação

Precipitação e calcinação

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Refinaria

A refinaria é a fase do processo que transforma a bauxitaem alumina calcinada. O procedimento mais utilizado é oProcesso Bayer

1) Dissolução da alumina em soda cáustica.

2) Filtração da alumina para separar o material sólido.

3) O filtrado é concentrado para a cristalização da alumina.

4) Os cristais são secados e calcinados para eliminar a água.

5) O pó branco de alumina pura é enviado à redução.

6) Na redução, ocorre o processo conhecido como Hall-Héroult, por meio da eletrólise, para obtenção do alumínio.

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Refinaria15

Processo Bayer

Al2O3 + 3H2O + 2NaOH + calor→ 2NaAl(OH)4

Fe2O3 não é solúvel, sendo retirado por filtração

O SiO2 dissolve-se como silicato [Si(OH)6]2-

Quando o líquido proveniente do Método Bayer se resfria, oAl(OH)3 precipita enquanto o silicato continua em suspensão:

2[Al(OH)4]-(aq) → Al2O3 .3H2O (s) + 2OH-

2Al(OH)3 + calor→ Al2O3 + 3H2O

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Redução

Redução é o processo de transformação da alumina emalumínio metálico:

1) A alumina (p.f. = 2040 °C) é dissolvida em um banho decriolita fundida (950 °C) e fluoreto de alumínio em baixatensão, decompondo-se em oxigênio.

2) O oxigênio se combina com o ânodo de carbono,desprendendo-se na forma de dióxido de carbono, e nocatodo o alumínio líquido precipita no fundo da cubaeletrolítica.

3) O metal líquido (já alumínio primário) é transferido para anova fusão através de cadinhos.

4) São produzidos os lingotes, as placas e os tarugos(alumínio primário).

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Redução

Basicamente, são necessárias cerca de 5 t de bauxita para produzir 2 t de alumina e 2 t de alumina para produzir 1 t de alumínio pelo processo de Redução.

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Questões Ambientais da Produção de Alumínio

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A produção de Al gera quatro subprodutos:

1. A lama vermelha (Fe2O3) produzida na purificaçãoda bauxita é altamente básica.

2. O fluoreto de hidrogênio gasoso, produzidoquando a criolita (Na3AlF6) reage com traços deumidade no óxido de alumínio.

3. Os óxidos de carbono (CO e CO2) produzidos noanodo.

4. Os fluorocarbonos, produzidos pela reação doflúor com o anodo de carbono.

Estrutura e propriedades do Al2O3

Coríndon é a forma cristalina natural mais comum deocorrência da alumina.

Varias gemas são compostas principalmente por Al2O3.

Rubi e safira são aluminas com cores característicasdevido a presença de elementos em baixos teores, tidoscomo impurezas.

Rubi tem a coloração vermelha devido a impurezas de Cr.

Safiras tem várias cores e contem impurezas de Fe e Ti.

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Cristais de Al2O3

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Coríndon

Modelo da estrutura do cristal coríndon (α-Al2O3)

Código de cores: Alumínio (cinza-amarronzado) e Oxigênio (Vermelho)

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Estrutura e propriedades do Al2O3

Seu uso mais significativo é na produção do metalalumínio.

Pode ser usado como um abrasivo devido à sua dureza.

Usado como um material refratário devido a seu altoponto de fusão.

O óxido de alumínio é responsável pela resistência àsintempéries do alumínio metálico.

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O Al tem um potencial padrão de redução muitonegativo (E0 = -1,66 V), no entanto não oxida ao ar.

Efeito da passivação (i.e., formação de uma películafina, 10-4 a 10-6 mm de espessura do Al2O3.

Aumento da resistência a corrosão pode ser feito viaum processo chamado de anodização (deposição deAl2O3 em uma camada de 0,01 mm de espessura).

Camada de óxido sobre o alumínio25

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Referências

N. N. Greenwood and A. Earnshaw, Chemistry of theElements, 2nd edition, Butterworth, Oxford, 1998.

Associação Brasileira do Alumínio – ABALhttp://www.abal.org.br/

Rayner-Canham, G.; Overton, T. “Química InorgânicaDescritiva”. Editora Gen-LTC; Rio de Janeiro, 2015.

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