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Externato Cooperativo da Benedita Ano Lectivo 2014/2015 Química – Isabel Lucas Daniela Silva nº13 e Iva Monteiro nº21 – 12ºB Metais e Ligas Metalicas

Metais e ligas metálicas

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Externato Cooperativo da Benedita Ano Lectivo 2014/2015 Química – Isabel Lucas Daniela Silva nº13 e Iva Monteiro nº21 – 12ºB

Metais e Ligas Meta licas

Page 2: Metais e ligas metálicas

Índice

0. Introdução ............................................................................................................................. 3

1. Cobre ..................................................................................................................................... 5

1.1. História .......................................................................................................................... 5

1.2. Extração e Obtenção ..................................................................................................... 5

1.3. Principais Características ............................................................................................... 6

1.4. Aplicações ...................................................................................................................... 7

2. Estanho .................................................................................................................................. 8

2.1. História .......................................................................................................................... 8

2.2. Extração e Obtenção ..................................................................................................... 8

2.3. Principais Características ............................................................................................... 9

2.4. Aplicações ..................................................................................................................... 9

3. Bronze ................................................................................................................................. 11

3.1. História ........................................................................................................................ 11

3.2. Obtenção e Produção .................................................................................................. 11

3.3. Principais Características ............................................................................................. 12

3.4. Aplicações .................................................................................................................... 12

4. Ferro .................................................................................................................................... 13

4.1. História ........................................................................................................................ 13

4.2. Extração e Obtenção ................................................................................................... 13

4.3. Principais Características ............................................................................................. 14

4.4. Aplicações .................................................................................................................... 15

5. Aço ....................................................................................................................................... 16

5.1. História ........................................................................................................................ 16

5.2. Obtenção e Produção .................................................................................................. 16

5.3. Principais Características ............................................................................................. 17

5.4. Aplicações .................................................................................................................... 18

6. Exploração mineira e o ambiente ....................................................................................... 20

7. Necessidade de Reciclar ...................................................................................................... 22

8. Conclusão ............................................................................................................................ 23

9. Bibliografia .......................................................................................................................... 24

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0. Introdução

A palavra «metal» deriva de métallon (que significa mina, em grego) e assume, nos

nossos dias, vários significados conforme o contexto em que é utilizada.

A história da Humanidade está intimamente relacionada com o aparecimento de novos

materiais e novas técnicas. Os metais desempenham um papel fundamental nesta

evolução histórica. Este facto não constitui admiração já que os metais constituem

cerca de 80% dos elementos químicos conhecidos. No entanto, o seu uso é

relativamente recente, porque, na sua maior parte, os metais não se encontram livres

na natureza mas combinados com outros elementos, normalmente oxigénio ou

enxofre, formando compostos de onde têm de ser extraídos. A estes compostos

chamamos minérios. Em primeiro lugar é necessário definir o que são minérios e o que

são minerais. Minerais são todas as substâncias naturais presentes na crosta terrestre.

Por outro lado, os minérios são os minerais dos quais pode ser obtido lucro devido à

sua extração. Aqui os metais podem estar na sua forma pura ou combinada, sendo a

forma combinada a mais usual. São exemplos de metais puros o ouro e a platina.

A tecnologia disponível para a descoberta, produção e utilização de bens minerais

envolve as etapas de prospeção, pesquisa, mineração, concentração, metalurgia e

transformação. Na fase de transformação são utilizados muitos processos químicos

para purificar os metais pretendidos. Podem por exemplo, ser usadas a eletrólise, no

caso do cobre, o refino por zona, ou ainda a destilação quando nos referimos a metais

com baixo ponto de ebulição como é o caso do zinco e do magnésio. No que toca à

produção de metais, utilizamos processos de pirometalurgia, ou seja, processos

metalúrgicos realizados a elevadas temperaturas. Aqui efectuam-se reações de

redução, sendo que esta pode ser química, para obter Titânio, por exemplo, ou

eletrolítica que pode ser utilizada para obter sódio ou alumínio.

A história dos metais remonta a tempos antigos, também apelidados por Idade dos

Metais. A estes tempos antecedeu a Idade da Pedra. Esta por sua vez subdividia-se em

três fases, a Idade da Pedra Antiga, a Idade da Pedra Intermediária e a Idade da Pedra

Polida. Isto não quer dizer que não fossem conhecidos alguns metais na Idade da

Pedra. Aliás, já havia conhecimento da existência de prata e ouro, apenas não eram

relevantes para o ser humano pois eram elementos demasiado macios, ou seja, não

podiam ser utilizados como ferramentas. Na Idade dos Metais existiram também várias

subfases. Em primeiro lugar, em 7000 anos a.C. surgiu a Idade do Cobre. Foi precedida

pela Idade do Bronze, cerca de 5000 anos depois. Em seguida, rondando os 1500 a.C.

apareceu a Idade do Ferro, havendo a Idade do Ferro I, até 1000 a.C. e a Idade do

Ferro II que terminou em 550 a.C.. Por volta do século XIV surgiu a Idade do Aço, e

agora vivemos na Idade dos Novos Materiais. Por Novos Materiais designamos a

Page 4: Metais e ligas metálicas

produção de superligas metálicas, materiais leves e resistentes para a indústria. Nesta

categoria incluem-se também polímeros e biopolímeros.

Apesar de tudo, poucos metais são utilizados no estado puro, dado que as respectivas

propriedades não se adequam os fins em vista, recorrendo-se, por isso, às ligas

metálicas. Os metais são insolúveis nos solventes líquidos comuns, mas podem

dissolver-se uns nos outros. Em geral, são fundidos e depois arrefecidos, constituindo

uma mistura sólida. O metal que entra em maior percentagem é considerado o

solvente e os outros são solutos.

Existem dois tipos de ligas metálicas, a substitucional e a intersticial. Na primeira liga,

os átomos de um metal são substituídos por átomos de um metal diferente, porém

isto só acontece se os raios atómicos não diferirem em mais de 15%. Temos como

exemplo o latão, onde átomos de cobre são substituídos por zinco tornando o metal

mais forte e duro. Por outro lado, nas ligas intersticiais os átomos de soluto de

pequenas dimensões ajustam-se nos espaços vazios do solvente. Para que este

fenómeno ocorra é necessário que o raio atómico do soluto tenha dimensões

inferiores a pelo menos 60% do raio atómico do elemento principal. É o caso do aço,

onde o carbono preenche os espaços intersticiais deixados pelo ferro.

Uma das vantagens das ligas metálicas é a de se poder controlar as percentagens dos

respectivos constituintes, de acordo com as propriedades desejadas. A maioria dos

componentes das ligas metálicas pertence ao bloco d da tabela periódica, como, por

exemplo, o ferro, o cobre, o cobalto, a prata e o mercúrio. As propriedades de uma liga

metálica são diferentes das do metal puro, como por exemplo, o cobre puro é um

metal muito macio, pelo que é preciso juntar-lhe outros elementos para lhe aumentar

a dureza; a adição de carbono ao ferro aumenta a sua resistência mecânica; a adição

do chumbo ao estanho faz diminuir o seu ponto de fusão; o crómio adicionado ao aço

torna-o mais resistente à corrosão. A facilidade com que os metais formam ligas

metálicas, misturando-se entre si ou com outros elementos não metálicos, deve-se à

sua estrutura. As ligas mais comuns que se utilizam na indústria são as de ferro, cobre,

magnésio, alumínio e chumbo.

Existem ainda ligas com memória de forma que são materiais metálicos que têm a

capacidade de recuperar a sua forma mesmo depois de terem sido muito deformados.

Têm usos no campo da medicina, robótica e aeronáutica.

Visto que os metais e as ligas fazem parte do nosso dia-a-dia, é inevitável dizer que no

futuro continuaremos a necessitar deles, eventualmente melhorando-os e criando

novas ligas para novas utilizações.

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1. Cobre

1.1. História

O cobre foi o primeiro metal a ser utilizado pelo homem.

Estima-se que tenha sido descoberto por volta de 9000

a.C. no Médio Oriente, mais propriamente na Suméria,

actual sul do Iraque e Kuwait. Na ilha de Chipre, próxima

desta zona, foi encontrada a maior fonte de cobre do

mundo que remonta à cerca de 7000 anos atrás. A

origem do nome deste metal vem da palavra romana

cuprum, que por sua vez tinha origem da palavra

cyprium, palavra romana para designar esta mesma ilha.

Foram encontrados objectos deste material na Anatólia

datados de 6000 a.C..

Estas civilizações conseguiram utilizar este metal pois

encontravam-no na superfície terrestre junto a correntes de

água, e este destacava-se pela sua tonalidade azul-

esverdeada. Em 5000 a.C. já era fundido e refinado cobre

originário de outros minérios, ou seja, que não se encontrava

no seu estado nativo.

Neste mundo antigo o cobre fazia parte da base das moedas

que estavam em circulação juntamente com as moedas de

ouro e de prata, sendo estas muito mais valiosas que as de

cobre.

Os antigos egípcios, por volta de 2400 a.C. utilizavam o

cobre com fins medicinais. Inicialmente para esterilizar feridas e mais tarde para dores

de cabeça e queimaduras. Os Aztecas também o utilizavam com esta função mas para

curar dores de garganta, gargarejando com misturas de cobre. Na China já utilizavam o

cobre à pelo menos 2000 a.C. Os Fenícios importaram cobre da Grécia o que deu

origem à grande exploração mineira por parte dos gregos.

1.2. Extração e Obtenção

Quando se quer fazer uma prospeção no que toca ao cobre

uma observação geral deve ser feita sobre o local das jazidas

deste minério. Há predominância de minérios oxidados na

superfície enquanto os minérios sulfurados se encontram em

profundidade. O cobre quando não está no seu estado nativo

pode ser encontrado na calcopirite, CuFeS2, na cuprite, Cu2O

e na malaquite, Cu2(OH)2CO3 por exemplo.

Fig. 1 – Zona onde foram encontrados

os primeiros vestígios de cobre

Fig. 2 – Água com cobre

Fig. 3 – Mina de cobre

Page 6: Metais e ligas metálicas

Para o cobre ser extraído é necessário percorrer os seguintes passos:

a) Calcinação do minério - Os minérios sofrem uma calcinação que elimina os

elementos voláteis e prepara a eliminação do enxofre e do oxigénio. Obtém-se uma

massa de cobre entre os 40 e os 50%.

b) Fusão – A massa de cobre obtida no primeiro processo possui ainda uma elevada

quantidade de impurezas. Ao colocar esta massa num forno próprio que ronda os

1200ºC, as impurezas eliminam-se por vazamento quando o forno é inclinado. No final

deste processo a massa de cobre atinge uma pureza que ronda os 98%.

c) Refinação no conversor– Aqui efetua-se uma refinação

térmica de modo a que outros metais que sejam mais

difíceis de separar se separem efetivamente.

d) Refinação do cobre bruto – Do processo anterior resulta

um cobre bruto com pureza acima dos 98%. Nesta fase

final é efetuada uma eletrólise de modo a que o cátodo

seja formado por uma fina folha de cobre puro. No final

deste processo o cobre atinge uma pureza de

aproximadamente 99.98%.

1.3. Principais Características

O cobre, 29 Cu, tem como distribuição

eletrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 o que o localiza no 11º grupo,

4º período, bloco d, sendo assim designado como um metal de

transição. Tem uma massa atómica de 63.55 e dureza de que varia

entre os 2.5 e os 3 na escala de Mohs. A 25ºC está no estado sólido,

tendo um ponto de fusão a rondar os 1084ºC e um ponto de ebulição

de 2562ºC. Apresenta uma coloração avermelhada, brilho metálico, é

maleável, ou seja, é divisível em lâminas, dúctil, ou seja, é divisível em

fios, e é ainda um bom condutor elétrico e térmico, sendo apenas

superado pela prata. Possui ainda uma elevada resistência à tensão

física e à corrosão.

Quando se juntam outros elementos ao cobre estes formam as ligas metálicas. Cada

liga destas tem diferentes propriedades conforme o seu uso. Atualmente existem mais

de mil tipos de ligas contendo cobre.

O cobre tem números de oxidação +1, +2, +3 e +4, sendo o

+2 o mais comum. Ao reagir com o ar, perde a sua cor

avermelhada e passa a ficar ligeiramente violeta aquando

da formação do óxido de cobre (I), Cu2O. Em seguida,

forma óxido de cobre (II), CuO, de cor negra. Caso esteja

Fig. 5 – Cobre no estado

nativo

Fig. 6 – Estátua da Liberdade pré e pós-oxidação.

Fig. 4 – Eletrólise do cobre.

Page 7: Metais e ligas metálicas

exposto a ar húmido durante longos períodos de tempo forma carbonato de cobre (II),

CuCO3, com um tom esverdeado. Esta reacção pode ser observada em diversos

monumentos como é o caso da Estátua da Liberdade.

1.4. Aplicações

A aplicação maioritária do cobre baseia-se na sua

transformação em fios e cabos para material de

condução a nível industrial. Esta actividade consome

aproximadamente 45% de todo o cobre utilizado

mundialmente. Devido às suas principais

características aliadas à sua grande resistência, fácil

manuseio e soldagem é muito usado em tubagens

que podem ser utilizadas em aparelhos de ar

condicionado, instalações hidráulicas, redes de

combate a incêndio entre outros.

É também utilizado na indústria automobilística nos fios condutores, travões,

radiadores e no motor. Um automóvel médio pode ter 1,5 km de fios de cobre,

podendo este aumentar dependendo do tamanho do veículo. O cobre é também

utilizado nos painéis solares. Existem pequenas estruturas deste metal no seu interior

que ajudam a transmitir o calor pelos tubos. Para aumentar o rendimento destes

painéis a estrutura assenta numa lâmina de cobre

escurecida de modo a que absorva ainda mais energia.

Como referido nos factos históricos deste metal, o cobre é

ainda utilizado para fabricar moedas, numa liga de 75%

cobre e 25% de níquel.

De menor importância, o cobre está também presente em

diversos objetos decorativos.

Devido ao seu elevado ponto de fusão era utilizado em panelas

até se saber que este poderia contaminar os alimentos. Existe também algum perigo

no que toca às tubagens hidráulicas anteriormente referidas. Estas tubagens estão

presentes maioritariamente em casas antigas, sendo que a água com uma quantidade

de cobre superior a 1 mg/l pode contaminar roupa e objetos lavados com a mesma.

Acima dos 5 mg/l a água torna-se colorida e de sabor desagradável.

Fig. 7 – Tubos de cobre.

Fig. 8 - Moedas de cobre.

Page 8: Metais e ligas metálicas

2. Estanho

2.1. História

O estanho é um metal conhecido desde os

primórdios das civilizações. Estima-se que os

primeiros utensílios fabricados a partir de estanho

remontam a 3500 a.C. Acredita-se que a exploração

mineira do estanho se tenha iniciado na Cornualha e

em Devon em épocas clássicas, desenvolvendo um

próspero comércio deste metal com as civilizações

do mediterrâneo. Os países de onde são conhecidas

fontes clássicas de estanho são a Cornualha,

Portugal, sul de Espanha, Nigéria, Uganda, Bohemia

e Sibéria.

No século XIV, o estanho começou a ser tirado de

jazidas na Europa e passou a ser convertido em

diversos produtos, geralmente utilitários. Até a

metade do século XVII, a fabricação de estanho só cresceu por ser um metal fácil de

ser trabalhado, maleável e que se funde a uma baixa temperatura. Ainda nesse

período, era utilizado por artesãos-viajantes que passavam de cidade em cidade para

consertar e fazer peças.

2.2. Extração e Obtenção

O estanho é um mineral relativamente raro e

a maior parte das reservas é de baixo teor, o

que dificulta ou inviabiliza sua exploração

económica. Contudo, a extração deste metal,

quando em teores mais elevados é bastante

simples. O principal minério do estanho é a

cassiterite ou óxido de estanho, geralmente

associado a granitos, no entanto, a maior parte do

estanho explorável economicamente é obtido de jazidas secundárias.

O método de extração dos minerais de estanho é relativamente simples, devido à

simplicidade do minério, o estanho negro. Primeiramente, o minério é concentrado e separado das impurezas terrosas através de uma lavagem. Esse processo é facilmente

realizado, pois o estanho tem elevado peso específico (6,8 a 7,0). O seguinte processo

funciona bem para o estanho em grão, lava-se o minério triturado e por calcinação

oxidante elimina-se o arsénio (Ar) e o enxofre (S).

Fig. 9 – Localização da Cornualha.

Fig. 10- Mina de cassiterite.

Page 9: Metais e ligas metálicas

Usando um separador eletromagnético separa-se o tungsténio e o resíduo resultante

da calcinação das pirites. A extração do estanho a partir dos concentrados de minérios

é feita pela redução do minério num forno de cuba ou de revérbero. Ao aquecer-se o

estanho com carvão em pedra no forno o óxido é reduzido:

SnO2+2C=2CO+Sn.

Retira-se o estanho metálico concentrado no fundo do forno e este é moldado em

lingotes ou blocos com cerca de 9,5% do metal. A escória é retratada e o refinamento

do estanho é feito a partir do aquecimento a uma temperatura ligeiramente acima da

necessária para a fusão do metal, na fornalha. O estanho, por sua vez, escoa até o

fundo da fornalha deixando, o que seria a escória de refino, ou impurezas metálicas

oxidadas. Depois deste processo o estanho ainda pode ser purificado agitando-se o

metal com um pedaço de madeira. O metal é agitado pelo borbulhamento dos gases

ascendentes e isto expõe o estanho subsequentemente à ação oxidante do ar. As

impurezas são retiradas na forma de espuma, porém como a escória do refino contém

grande quantidade de estanho, ela é refundida com o minério. A recuperação do

estanho através de chapa e aparas de outros objetos é um importante processo.

2.3. Principais Características

O estanho, 50Sn, tem como distribuição eletrónica 1s2 2s2

2p6 3s2 3p6 3 4s2 3d10 4p6 5s1 4d4 o que o localiza no 14º

grupo, 5º período, bloco p, sendo assim designado como um

metal de pós transição. Encontra-se no estado sólido, é

bastante resistente à corrosão e apresenta uma cor branca-

prateada com um brilho característico.

É um metal que atinge o seu ponto de fusão aos 505 K, ou

seja, aos 231,85ºC e o seu ponto de ebulição ronda os 2875

K, sendo aos 2601,85ºC. É um metal maleável, ou seja, é

divisível em lâminas; porém é pouco dúctil, é difícil ser

disposto em forma de tubos maciços. É um bom condutor

eléctrico e térmico.

Este metal resiste à corrosão quando exposto à água do mar e água potável, porém

pode ser atacado por ácidos fortes, bases e sais ácidos. O estanho age como um

catalisador quando o oxigénio se encontra dissolvido, acelerando o ataque químico. Os

seus números de oxidação mais comuns são o +2 e +4. É considerado como um metal

semi-raro.

2.4. Aplicações

Como metal puro, o estanho é usado na construção de tubos e

válvulas, no fabrico de recipientes para água destilada, cerveja

e bebidas carbonatadas. Pode ainda ser usado em tanques de

Fig. 11 – Cubo metálico de estanho.

Fig.12 – Tubos de estanho.

Page 10: Metais e ligas metálicas

armazenamento de soluções químicas farmacêuticas, em eléctrodos de

condensadores, fusíveis, munições, papel metalizado para envolver alimentos, doces

ou tabaco. O pó de estanho é usado no fabrico

destes papéis e de tintas e sprays.

A galvanoplastia é uma importante aplicação do

estanho podendo ser feita a electrodeposição em

torno de peças de aço, cobre, alumínio, etc. As peças

feitas de estanho têm inúmeras aplicações tais como

em utensílios de cozinha, recipientes de sprays e

creme para a barba, latas de tinta, componentes

electrónicas, circuitos impressos, clips, pins e muitas

outras coisas.

Os compostos de estanho mais importantes são a

cassiterite (SnO2), usada em resistências eléctricas e

o óxido estanoso que se usa no fabrico de sais estanosos para galvanoplastia e como

reagentes químicos.

Alguns compostos orgânicos de estanho aplicam-se como fungicidas e insecticidas para

a agricultura e utilizam-se para o fabrico de têxteis e papel.

Apenas uma pequena percentagem de estanho

passa para os alimentos nos recipientes feitos com

este elemento. O máximo permitido nos alimentos é

cerca de 300 mg/kg, apesar de concentrações mais

elevadas não serem, em geral, prejudiciais. O

estanho pode ser considerado como um elemento

não tóxico.

Fig. 13 – Medalhão de estanho.

Fig. 14 – Antigo tacho de estanho.

Page 11: Metais e ligas metálicas

3. Bronze

3.1. História

Acredita-se que a origem do bronze provém do Médio

Oriente em torno de 3300 a.C. A “Idade do Bronze” é um

período particular da história, quando o homem descobriu

o bronze, uma liga formada pela junção de cobre com

estanho. Não se sabe ao certo como é que os ferreiros

aprenderam a produzir bronze com cobre e estanho mas

terá sido provavelmente por acidente: pela contaminação

de estanho em minérios de cobre. Com este novo material

começaram a ser criados novos e diversos objectos. Como o

bronze é mais resistente que o cobre puderam ser

fabricadas novas espadas, capacetes, martelos, lanças,

facas, machados e outros objectos semelhantes que

anteriormente eram feitos de pedra. Esta foi uma época de

uso intenso de metais e de redes de desenvolvimento do

comércio.

A Idade do Bronze destaca-se ainda do ponto de vista económico pela criação de

modelos comerciais que abrangem áreas geográficas maiores, tendo o estanho como

principal matéria-prima e de extrema importância para o fabrico de objetos metálicos.

Esta circunstância, para além de levar à abertura de novas rotas comerciais, obriga ao

aperfeiçoamento dos meios de transporte. As civilizações antigas utilizaram

amplamente o bronze, podendo-se destacar entre elas o Egito, a Grécia e a Babilónia.

O bronze teve o seu auge de utilização até 1300-700 a.C., onde a partir daí foi

caracterizado pela sua presença na cremação de cadáveres.

3.2. Obtenção e Produção

O bronze é uma liga de cobre com estanho sendo

que a adição de estanho ao cobre aumentou

consideravelmente a sua dureza. O processo de

fabricação do bronze consiste em misturar um

mineral de cobre, normalmente calcopirite ou

malaquite com um mineral de estanho, a

cassiterite num forno alimentado com carbono.

Visto que o estanho é um metal semi-raro e até a

cassiterite contém apenas 5% deste, e o cobre não

é comum é surpreendente com aprenderam a

produzir bronze. É ainda de destacar que as

Fig. 15 – Espadas de bronze.

Fig. 16 – Cassiterite.

Page 12: Metais e ligas metálicas

civilizações que usaram o bronze intensamente na antiguidade esgotaram o

suprimento local tendo que importar grandes quantidades de outros países. O cobre já

não é um componente comum da crosta terrestre, mas o estanho o é ainda menos.

Com isto, podemos concluir que o bronze é uma liga metálica rara pois os seus

componentes maioritários também o são, logo não é uma liga rentável para ser

utilizada no dia-a-dia.

3.3. Principais Características

O bronze é uma liga metálica homogénea composta pela

mistura de cobre e estanho, podendo conter também porções

de outros elementos, tais como o zinco, o alumínio, o

antimónio, o níquel, o fósforo e o chumbo. Quando o bronze é

utilizado para fundição é constituído por 10% de estanho e

90% de cobre. Apresenta-se na forma de um metal quase

dourado, é maleável e dúctil. Quando é exposto ao ar

atmosférico por períodos prolongados é recoberto por uma

camada castanha escura de óxidos dos metais envolvidos na

sua composição. O ponto de fusão do bronze varia entre os

900ºC e os 1000 ºC.

3.4. Aplicações

O bronze possui inúmeros usos, sendo os mais comuns na

industrialização como a fabricação de parafusos, ferramentas,

equipamentos para fábricas, aparelhos eléctricos, conexões

hidráulicas, revestimento de motores e na fabricação de

moedas.

Nas artes plásticas, como se tem visto no decorrer da história

muitos artistas plásticos têm utilizado o bronze nas suas

criações, principalmente o povo do

Egipto antigo e os gregos. É também

usado na fabricação de instrumentos

musicais e objectos de decoração em

lápides para túmulos, em estátuas e em

sinos de igreja.

Fig. 17– Barras de bronze.

Fig. 18– Medalha

de bronze.

Fig. 19– Estátua de bronze.

Page 13: Metais e ligas metálicas

4. Ferro

4.1. História

Há cerca de 4500 anos o ferro utilizado pelo

homem era encontrado em meteoritos recolhidos

por tribos nómadas na Ásia. Como este tinha

origem espacial estes povos viam o ferro como uma

dádiva divina. Devido à sua beleza, maleabilidade e

por ser de difícil obtenção era visto como um metal

precioso e usa utilizado para adorno. Entre 3000 e

2000 a.C. foram encontradas peças de ferro na

Mesopotâmia, actual Iraque, com provas de que não

tinham origem em meteoritos devido à ausência de

níquel. Estima-se então que a origem do ferro naquela

altura possa ter vindo da obtenção do cobre através do qual o ferro fosse algum tipo

de subproduto.

Ao longos dos milénios, quando se descobriu como extraí-lo do seu minério este metal

passou a ser utilizado com maior frequência. A regularização da exploração do ferro

começou por volta de 1500 a.C. no Médio Oriente onde os fenícios o importaram e por

sua vez difundiram-no por todo o Mediterrâneo. Nesta altura o ferro era muito mais

valioso que o ouro.

O primeiro povo a introduzir o ferro na Europa,

fora do Mediterrâneo, foram os celtas. Com o

ferro faziam armas para sua defesa, e

consequentemente passaram a fazer outros

equipamentos. A arte de trabalhar o ferro foi

um marco no desenvolvimento tecnológico.

Eram necessários fornos para suportarem a

elevada temperatura de fusão do ferro e aí foi

criada a forja catalã, que como o próprio nome

indica teve origem na Catalunha, Espanha. A

forja foi mais tarde substituída pelos atuais altos-fornos, mas

durou até aos finais do século XIX em alguns países por toda a

Europa.

4.2. Extração e Obtenção

O ferro não se encontra no seu estado elementar daí ser encontrado em numerosos

minerais, tais como a hematite, Fe2O3, a magnetite, Fe3O4, e a pirite, FeS2.

Fig. 20 – Localização da Mesopotâmia.

Fig.21 – Forja catalã.

Page 14: Metais e ligas metálicas

Os dois primeiros são os mais adequados para a extracção de ferro. Tal como a

hematite e a magnetite muitos dos minerais de ferro são óxidos.

A redução destes óxidos, com maior ou menor teor de impurezas, é efetuada num

alto-forno.

Neste mesmo forno são adicionados o

minério de ferro, juntamente com

coque (carvão mineral aquecido

hermeticamente a elevadas

temperaturas) e calcário,

fundamentalmente, carbonato de

cálcio, CaCO3 através da sua parte

superior. Enquanto isso, na parte

inferior é introduzido ar quente.

Inicialmente, os óxidos de ferro são

reduzidos na parte superior do alto-

forno, parcial ou totalmente, com o

monóxido de carbono, produzindo ferro

fundido.

Em seguida o carbonato de cálcio

decompõe-se termicamente, originando

dióxido de carbono, CO2, e óxido de

cálcio, CaO. É esta substância que vai combinar-se com as impurezas presentes no

forno e irá formar a escória. A temperatura de fusão do ferro impuro é inferior à que

se faz sentir no fundo do forno. Assim sendo, todo o ferro fundido descende, enquanto

que a escória fica numa camada superior, sendo possível retirar ambos, como é

possível verificar pela figura.

Ainda assim, o ferro retirado do alto-forno pode conter ainda muitas impurezas. É

possível ter até 5% de carbono bem como menores percentagens de outras

substâncias como o enxofre e o silício o que o torna quebradiço e granuloso. Devido a

estas características é chamado de ferro gusa. É possível retirar o carbono presente em

excesso através de um forno de injecção de ar. Durante esse o oxigénio ocupa o lugar

das moléculas de carbono dando novas propriedades e usos ao ferro.

4.3. Principais Características

O ferro, 26 Fe, tem como distribuição eletrónica 1s2 2s2

2p6 3s2 3p6 3d6 4s1 o que o localiza no 8º grupo, 4º

período, bloco d, sendo assim designado como um

metal de transição. Tem uma massa atómica de 55.58.

Fig.22 – Representação do um alto-forno.

Fig.23 – Cristais de ferro purificados.

Page 15: Metais e ligas metálicas

A 25ºC está no estado sólido, tendo um ponto de fusão a rondar os 810ºC e um ponto

de ebulição de 2860ºC. Apresenta uma coloração acinzentada e brilho metálico. É

maleável, ou seja, é divisível em fios. Possui ainda propriedades magnéticas, daí este

ser um metal ferromagnético. É ainda o quarto elemento mais abundante da crosta

terrestre.

O ferro oxida com facilidade e apresenta normalmente +2 e +3 como números de

oxidação. Os óxidos de ferro mais conhecidos são o óxido de ferro II, FeO, e o óxido de

ferro III, Fe2O3. São ainda conhecidos compostos com números de oxidação superiores,

+4, +5 e +6, porém são raros, sendo o ferrato de potássio, K2FeO4 um exemplo de um

composto com número de oxidação do ferro +6.

4.4. Aplicações

O ferro é o mais útil de todos os metais, quer em forma de ferro

puro bem como os seus compostos e ligas. O sulfato de ferro II,

FeSO4, é utilizado em tinturarias, e como fungicida. Tem ainda usos

como suplemento nutricional, visto que é um precursor para

outros compostos de ferro. O oxalato de ferro II, FeC2O4, era

utilizado para revelar fotografias, enquanto a limonite e a

hematite têm usos como pigmentos, adsorventes (superfícies

sólidas insolúveis capazes de efetuar a adesão de moléculas na sua

superfície) e abrasivos. A magnetite é utilizada no fabrico de

elétrodos a nível industrial. Por fim, o hexacianoferrato II de ferro

III pode ser utilizado em pinturas e corantes, sendo conhecido por

azul da Prússia. É de realçar ainda a frequente aplicação de

derivados de ferro como catalisadores de muitas reações, incluindo

na produção do amoníaco.

Fig. 24 – Azul da Prússia.

Page 16: Metais e ligas metálicas

5. Aço

5.1. História

Tendo em conta que o aço é uma liga metálica composta por ferro e carbono este

apenas teve origem muitos séculos mais tarde comparativamente com o metal que lhe

dá origem.

Pensa-se que tenha sido na Índia que se iniciou a produção de

aço, designado por aço Wootz. O método de fabrico baseava-

se no método de carbonização utilizado pelos antigos Egípcios.

O aço era obtido a partir da esponja de ferro. Esta era

produzida num antecessor do alto-forno. Visto que este alto-

forno não era tão eficaz como os atuais, a temperatura no seu

interior não permitia a fusão do ferro, assim sendo esta esponja

tinha de ser martelada para que se expelissem os resíduos.

5.2. Obtenção e Produção A fabricação do aço é uma das mais importantes da indústria

metalúrgica. Enquanto a produção de ferro é um processo de redução,

no qual se transformam óxidos de ferro em ferro metálico, a passagem

de ferro a aço é um processo de oxidação. Aqui as impurezas

indesejadas são removidas do ferro por reação com o oxigénio gasoso.

A este fenómeno dá-se o nome de processo de oxigénio básico. Este é

o método mais utilizado pois em apenas 20 minutos é possível

converter centenas de toneladas de ferro em aço.

O processo do oxigénio básico funciona da seguinte forma. Em

primeiro lugar o ferro fundido vindo do alto-forno é despejado para

um reservatório de forma cilíndrica na sua posição vertical. Através de

um tubo central insere-se oxigénio com elevada pressão sobre o metal

fundido. Nestas condições as impurezas reagem com o oxigénio

formando óxidos que por sua vez originarão a escória. Para existir esta

passagem de óxido a escória são necessários fundentes apropriados,

como é o caso do óxido de cálcio, CaO.

Ocasionalmente retiram-se amostras do aço

fundido. Caso este tenha a composição desejada

o reservatório é rodado para uma posição

horizontal para que possa ser retirado.

Existe um processo designado por têmpera que

consiste no aquecimento do aço durante um

Fig.25 – Esponja de Ferro

Fig.26 – Reservatório na

posição vertical

Fig. 27 – Reservatório na posição horizontal

Page 17: Metais e ligas metálicas

curto espaço de tempo e em seguida arrefece-lo rapidamente. Este procedimento tem

limites amplos entre os quais pode variar, dependendo da proporção de carbono e de

outras substâncias presentes na liga.

5.3. Principais Características

O aço é uma liga de ferro que contém entre 0.03 a

1.4% de carbono, além de outros elementos tais como

o crómio e o tungsténio. Distingue-se do ferro fundido

pois este apresenta uma maior percentagem de

carbono, que pode mesmo chegar ao 6.7%. Para além

disso o ferro fundido é mais difícil de ser trabalhado

comparativamente ao aço. De realçar ainda que o aço

pode ser reciclado.

Na tabela seguinte estão presentes alguns tipos de

aços e a sua composição:

Segundo a sua composição química e teor de carbono as propriedades dos aços

diferem, porém, em geral, todos apresentam um comportamento dúctil com uma

deformação plástica, ou seja o objecto fica permanentemente deformado, e elástica,

quando o objecto retorna à sua forma inicial. As deformações a que os aços estão

sujeitos são a forja, a laminação e a extrusão. A plasticidade anteriormente referida

permite a obtenção de peças de formas geométricas complexas com relativa

facilidade. O aço apresenta também uma dureza relativamente elevada, ou seja tem

capacidade de riscar outros materiais.

Existem diversos tipos de aço tais como:

Carbono – Estes são os “aços comuns”. É lhes dada esta designação pois

possuem por norma um maior teor de carbono comparativamente aos outros

aços.

Inoxidável – Também conhecido apenas por inox, é um aço que contém crómio

podendo conter também níquel e molibdénio. Apresenta propriedades

superiores às dos aços comuns sendo a alta resistência à oxidação a sua

Fig. 28 – Barras de aço.

Page 18: Metais e ligas metálicas

principal vantagem. O crómio confere ainda uma

excelente resistência à corrosão.

Damasco – Dá-se este nome a um aço que tenha origem

em dois ou mais aços, de diferentes características, unidos

pelo processo de caldeamento. Este tipo de aço apresenta

diversas camadas e uma elevada flexibilidade. É de difícil

obtenção o que o torna muito caro.

Rápido – Possui este nome pois é quando utilizado em

ferramentas atinge elevadas velocidades de corte. É

extremamente duro e resistente. Tem na sua constituição

7% de tungsténio, molibdénio e vanádio.

Temperado – Aço submetido ao processo de têmpera de

modo a que tenha uma maior dureza e resistência

mecânica. Pode ser produzido através de têmpera por

chama, superficial ou total.

Corten – De grande uso na construção civil devido às suas

propriedades anticorrosivas. Em média, é três vezes mais

resistente à corrosão que um aço comum.

Arcelor – Aço plano utilizado para a indústria automóvel.

Invar – Liga à base de ferro e níquel que apresenta um

baixo coeficiente de dilatação térmica.

Maraging – Este tipo de aço possui uma elevada dureza

sem perder a sua maleabilidade. O principal elemento

desta liga é o níquel, ocupando entre 15 a 25% da

composição da mesma. Este aço não envolve reações com

o carbono mas sim com outros compostos metálicos tais

como o titânio e o cobalto.

5.4. Aplicações

O aço é actualmente a mais importante liga metálica sendo empregue de forma

intensiva em diversas áreas. A grande variedade de propriedades mecânicas

associadas ao aço depende da sua composição química e dos tratamentos térmicos

aos quais foi submetido. Assim sendo diferentes tipos de aços vão dar origem a

diferentes produtos.

No caso do aço inoxidável, este é muito utilizado em utensílios de

cozinha, cutelaria e decoração, incluindo por exemplo, corrimões e

outras superfícies que necessitem de estar esterilizadas o que torna

fundamental alguma resistência e fácil limpeza. O aço damasco era

utilizado nas espadas dos antigos samurais.

Fig. 29 – Crómio.

Fig. 30 – Níquel.

Fig. 31 – Molibdénio.

Fig. 32 – Talheres de aço inoxidável.

Page 19: Metais e ligas metálicas

O aço rápido é muito utilizado em ferramentas de corte,

como por exemplo brocas. Devido aos processos que o

originam o aço temperado tem a função de suportar a tensão

de cargas pesadas. Assim sendo é bastante utilizado na

indústria automóvel. É bastante semelhante ao aço arcelor.

O aço corten é muito utilizado

em estátuas e outras estruturas

que fiquem ao ar livre devido à

sua resistência à corrosão. Muitas

das vezes dispensa pintura, sendo

característico o seu tom acastanhado originado pelo

óxido de ferro.

O aço invar é utilizado em inúmeras aplicações onde seja

necessário que a dilatação térmica seja praticamente

nula. Assim sendo está presente em aparelhos de

topografia, relógios de precisão, tubos de televisão e

lâminas bimetálicas para termostatos eletromecânicos.

Por fim, os aços maraging têm diferentes funcionalidades. Estão presentes em

sistemas de rotação de helicópteros, sistemas de transmissão de submarinos, válvulas

de motores de combustão interna entre outros.

Fig. 33 – Brocas de aço rápido.

Fig. 34 – Estátua de aço corten.

Page 20: Metais e ligas metálicas

6. Exploração mineira e o ambiente A extração mineral é uma de muitas actividades humanas que têm contribuído nos

últimos cem anos para a degradação ambiental, quer do local onde se encontram

instaladas, quer por vezes, da região envolvente.

Na actividade mineira, em particular, na

subterrânea, são muitos os riscos presentes

e estes, estão associados às características

do material rochoso perfurado, uso de

explosivos, eventual presença de gases

tóxicos, presença de águas subterrâneas, o

uso cada vez maior de máquinas e

equipamentos, possibilidade de ocorrência

de incêndios.

Existe uma diferença significativa na forma como a

exploração mineira era encarada antigamente e como é encarada atualmente.

Começar por destacar que antes a saúde dos mineiros não era um fator a ponderar

apesar de estes estarem sujeitos a poeiras tóxicas e a derrocadas todos os dias. Aliado

a este facto, não existia legislação sobre a proteção do ambiente, água e solos nem

gestão de resíduos. Toda a água utilizada neste processo era lançada diretamente nos

rios da região. Ou seja, não havia consciência sobre os efeitos da exploração mineira

nas pessoas nem na natureza. Agora, existe legislação que assegura que são tomados

cuidados ambientais antes, durante e depois da

exploração mineira e são programados destinos para os

resíduos. Assim sendo, as empresas que exploram uma

região são obrigadas por lei a recuperar as áreas

exploradas após a extracção. Existem ainda limites para

as descargas que podem ser efectuadas nos rios e

esgotos. Foram também criadas novas ferramentas que

dão mais segurança ao mineiros tais como sistemas de

ventilação e a criação de lanternas de lítio, pois as

antigas lanternas utilizadas pelos mineiros libertavam gás que

para além de dificultar ainda mais a respiração aos

trabalhadores, em certas proporções podia ser explosivo.

As modificações na morfologia, a perda de solo, a inevitável perda de vegetação e as

modificações na rede de drenagem causadas pela exploração e aliadas às escombreiras

podem induzir, nas zonas envolventes, um aumento do risco de deslizamentos dos

taludes, assim como abatimento de terrenos e aumenta da carga sólida do cursos de

água.

Fig. 35 – Interior de uma mina.

Fig. 36 – Foto antiga que mostra

mineiros a trabalhar sem

segurança.

Page 21: Metais e ligas metálicas

Um dos riscos ambientais mais preocupantes tem

a ver com as escombreiras e, resultam ou

resultaram duma intensa actividade mineira que

contribuiu para a contaminação dos sistemas

ambientais que envolvem a respectiva

escombreira ou por metais pesados ou por

substâncias utilizadas nos minérios.

O grau de toxicidade de um metal depende de três factores.

Em primeiro lugar qual é o tipo de metal em questão.

Depois é necessário apurar qual o seu papel no funcionamento biológico. Por fim, é

preciso aferir qual o tipo de organismos com os quais o metal irá interferir. Existem

mais de cinquenta metais que podem ser considerados tóxicos, mas desses apenas 17

são comuns. Os metais mais poluentes e mais encontrados durante e após as

explorações mineiras são o mercúrio, o chumbo, o arsénio, o cádmio, o selénio, o

cobre, o zinco, o níquel e o cobre. A partir do momento em que estes metais entram

em contacto com a água é muito difícil, se não impossível, retirá-los da mesma. Estas

águas caso consumidas podem originar doenças. Existem certas espécies aquáticas que

podem ser erradicadas pois não conseguem sobreviver quando o seu habitat é

alterado. Isto porque para além das mudanças visíveis, estas substâncias diluídas

podem alterar drasticamente o pH das águas.

A contaminação por metais é particularmente

importante nos casos em que ocorrem drenagens

ácidas a partir de sulfuretos depositados na

escombreira. A drenagem destas águas ácidas para

as linhas de água, provoca a dispersão dos metais e

a contaminação e acidificação das águas superficiais

e dos solos.

Fig. 37 – Escombreira.

Fig. 37 – Lago contaminado pelas

minas de S. Domingos.

Page 22: Metais e ligas metálicas

7. Necessidade de Reciclar Os processos utilizados para a extração dos metais são muitos dispendiosos a nível

monetário, energético e ambiental. Para evitar estes elevados custos a reciclagem é a

melhor opção. Para além disso, os materiais são matérias-primas não renováveis visto

que estes tiveram formação há muitos milhões de anos quando a Terra se formou.

Para olharmos para a reciclagem como um processo rentável e eficaz é necessário

compreender o tempo de decomposição dos materiais que constituem os

desperdícios.

Tendo em conta o longo tempo de

decomposição aliado ao longo

tempo de formação dos metais, a

reciclagem é sem dúvida um

processo fundamental.

Os metais recicláveis são classificados em três grupos distintos:

Ferrosos – contêm ferro, são baratos e reciclados em larga escala.

Não Ferrosos – nesta categoria incluem-se os metais de transição incluindo o

cobre e as suas ligas. O alumínio também se considera um metal não ferroso e

é ainda muito vantajoso de trabalhar com ele pois é muito fácil de se

trabalhado e é pouco dispendioso. Neste metal por exemplo, apenas gasta-se

95% menos energia a recicla-lo do que se gastaria através de processos de

exploração mineira. Atualmente é o material reciclado mais valioso.

Preciosos – o caso da prata e do ouro.

Pensa-se que o aço tenha sido o primeiro material a ser reciclado na história. Os

soldados romanos recolhiam os seus escudos, facas e espadas inutilizáveis para fazer

novas armas.

As ligas metálicas por outro lado são pouco susceptíveis a ser recicladas visto que com

a sua reutilização a sua qualidade diminui.

A reciclagem dos metais apresenta várias vantagens tais como: a) a diminuição da

extração de minérios; b) uma poupança significativa de energia que por sua vez reduz

o consumo de combustíveis fósseis; c) diminui a poluição e a degradação das zonas de

onde o minério é explorado; d) poupa água entre outros recursos; e) dinamiza

populações e cria empregos.

Material Tempo de

Decomposição

Madeira pintada 13 anos

Nylon > 30 anos

Plástico >100 anos

Metal > 100 anos

Borracha Tempo indeterminado

Vidro >1 milhão de anos

Page 23: Metais e ligas metálicas

8. Conclusão Ao longo dos tempos houve uma grande evolução na história dos metais. Futuramente

continuaremos dependentes destes materiais.

O avanço tecnológico conduz-nos a necessidades cada vez mais complexas, tanto no

que toca à indústria como à sociedade, obriga a uma constante evolução dos

processos industriais o que por sua vez trás consigo produtos com maior qualidade,

funcionalidade e durabilidade. As ligas leves de alumínio serão ainda mais utilizadas

nos automóveis e novas superligas serão criadas com as mais diferentes utilizações.

Uma delas, por exemplo, será a criação de uma liga resistente à radiação o que

permitirá que as centrais nucleares funcionem durante mais tempo e em segurança.

Apesar de tudo, durante muitos anos o aço continuará a ser a liga com maior

expressão e utilização, isto porque para além do seu baixo custo de produção,

apresenta uma enorme facilidade em adaptar as suas características ao objetivo

pretendido. Como vimos anteriormente, basta adicionar diferentes compostos à liga

de ferro para que esta tenha propriedades distintas das iniciais.

Nesta fase em que vivemos onde os recursos naturais estão em risco, a

sustentabilidade ambiental é um fator a ter em conta nos materiais utilizados nas mais

diferentes áreas no dia-a-dia. É essencial examinar os todos os produtos de modo a

que possam ser encontradas maneiras de minimizar o seu impacto ambiental. Assim

sendo, a era dos novos materiais pretende dar resposta às necessidades humanas

atuais de forma sustentável.

A sustentabilidade conduz-nos à necessidade de reciclar. Como é visível observar, os

metais podem de facto ser reciclados apresentando benefícios tanto para o homem

como para a natureza. Existe uma poupança significativa de energia e de minério.

Assim sendo, poderemos continuar a usufruir dos recursos naturais, mas com

moderação para que possam ser aproveitados pelas gerações futuras. É ainda

necessário realçar que é preciso cuidar dos trabalhadores da exploração mineira pois

durante muitos anos estiveram sujeitos a derrocadas entre outros perigos e foram

longamente ignorados.

As leis e normas existentes têm de ser cumpridas de modo a que tudo o que foi dito

anteriormente possa ser alcançado. É necessário haver um limite entre os lucros das

empresas que efetuam as explorações e as suas consequências nos locais onde atuam.

Para que possamos ter um progresso sustentável é fundamental reunirmos as

condições certas de modo a não comprometer o nosso destino, assim sendo a

reciclagem e a renovação das áreas exploradas são fatores essenciais a manter no

futuro.

Page 24: Metais e ligas metálicas

9. Bibliografia Apontamentos de aula

http://nautilus.fis.uc.pt/personal/jcpaiva/pp2/files/curriculum/didqui1/pagina/6/1/1F/metais

_e_ligas-metalicas.pdf

http://pt.wikipedia.org/wiki/Sum%C3%A9ria

http://www.historiazine.com/2012/04/os-sumerios.html

https://www.coppermasters.com/pt/curiosities.php?iOption=1

http://henrikboden.blogspot.pt/2013_09_01_archive.html

http://www.serralheriasp.com.br/Cobre.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido_de_cobre_(I)

http://www.alunosonline.com.br/quimica/cobre.html

http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/CarlosRojas.pdf

http://nautilus.fis.uc.pt/st2.5/scenes-p/elem/e02630.html

http://www.brasilescola.com/quimica/aco.htm4

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_inoxid%C3%A1vel

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_r%C3%A1pido

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_damasco

http://www.mecanicaindustrial.com.br/conteudo/531-o-que-e-aco-temperado

http://pt.wikipedia.org/wiki/T%C3%AAmpera_(metalurgia)

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_corten

http://pt.wikipedia.org/wiki/Arcelor

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_maraging

http://pt.wikipedia.org/wiki/Invar

http://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/A%C3%A7o-Maraging/37393.html