Metais e Metalurgia

1. Metais e Metalurgia Componentes: Estevão Pepato nº:14394 Marco Tulio Braz da Cruz nº:14414

2. Índice: Introdução Ocorrência e Distribuição dos Metais Metalurgia Pirometalurgia Pirometalurgia do Ferro Hidrometalurgia Hidrometalurgia do Alumínio Eletrometalurgia Eletrometalurgia do Alumínio Ligação Metálica Mar de Elétrons Semicondutores Ligas Compostos Intermetálicos Metais de Transição Química de Alguns Metais de Transição

3. Introdução O capítulo 23 nos reserva o fascinante mundo da metalurgia e as propriedades dos metais mais presentes no nosso dia-a-dia. Veremos também as formas mais comuns para a utilização dos metais de transição e suas ligas.

4. Ocorrência e Distribuição dos Metais A parte do ambiente que constitui a terra sólida abaixo dos nossos pés é chamada de litosfera, e é nela que encontramos a maioria dos materiais, alimentos, abrigo que precisamos para viver. Apesar do raio da terra ser de 6.370 km só exploramos até 4 km de profundidade. Muitos dos metais mais úteis não são abundantes na porção da litosfera. Por isso, esses metais também apresentam uma importância no cenário político mundial já que os países competem pelo acesso a esses depósitos. Tais depósitos são conhecidos como MINÉRIOS. Em geral o metal desejado deve ser separado de componentes que não interessam por processos químicos. Cerca de 23 toneladas de metais são extraídos anualmente para sustentar cada pessoa nos EUA. Com o uso abusivo num futuro próximo será necessário usar matéria bruta de menor qualidade, o que custará mais energia e causará maior impacto ambiental.

5. Minerais Com a exceção do ouro e dos metais do grupo da platina (Ru, Rh, Pd, Os, Ir e Pt), são encontrados na natureza como compostos inorgânicos e sólidos chamados de minerais. Comercialmente os mais importantes são os minerais óxidos, sulfetos e carbonatos.

7. Metalurgia É a ciência e tecnologia de extração de metais a partir de suas fontes naturais. Consiste em cinco etapas: Mineração Concentração do minério Redução do minério Refinamento Mistura do metal.

8. Pirometalurgia • É um processo que ocorre em altas temperaturas alterando quimicamente o mineral afim de reduzi-lo a metal livre, constituindo assim a pirometalurgia, que acomoda alguns processos produtivos tais como: • - Calcinação • - Ustulação • - Fusão • - Refinamento • Incluindo ainda a formação do aço.

9. Calcinação Alguns minérios se decompõem durante o aquecimento e acabam desse modo eliminando um produto, necessariamente, volátil. Na maior parte das vezes a substância eliminada é H2O ou CO2. Exemplo: PbCO3(s) PbO(s) + CO2(g) O carbonato é calcinado afim de eliminar o CO2 formando óxido metálico Em geral os carbonatos se decompõem em temperaturas na ordem de 400°C a 500°C, salvo o CaCO3 que necessita de cerca de 1000°C. Já os minerais hidratados tendem a eliminar H2O com temperaturas que variam entre 100°C e 300°C.

10. Ustulação É a reação química em altas temperaturas entre o minério e a atmosfera dos fornos, normalmente resultando numa oxidação ou redução, podendo ser acompanhado de calcinação. A conversão do metal em óxido, por meio da oxidação dos minerais de sulfeto é um importante processo de ustulação. Exemplos: 2 ZnS(s) + 3 O2(g) 2 ZnO(s) + 2 SO2(g) 2 MoS2(s) + 7 O2(g)  2 MoO3(s) + 4 SO2(g) Em metais menos ativos a ustulação pode gerar metais livres. Exemplo: HgS(s) + O2(g)  Hg(g) + SO2(g) Em alguns casos, uma atmosfera redutora durante a ustulação pode ser usada para a obtenção de metal livre. Normalmente criada com monóxido de carbono, essa atmosfera é utilizada principalmente para reduzir óxidos metálicos: PbO(s) + CO(g)  Pb(l) + CO2(g)

11. Fusão Consiste em um processo, que geralmente tem uma etapa de calcinação, onde os materiais formados são separados em camadas, as mais relevantes são a de metal fundido e escória sendo que a primeira pode conter mais que apenas um metal fundido na solução. A escória muitas vezes é considerada impureza, formada principalmente por minerais de silicato, com aluminatos, fosfatos e outros compostos iônicos. Exemplo: CaO(l) + SiO2(l) CaSiO3(l) Normalmente em processos pirometalurgicos industriais são realizados, em paralelo com o processo principal, alguns processos para refinamento do metal bruto. Com o refinamento, pretende-se alcançar um alto nível de pureza, ou então uma composição que seja interessante para a indústria tal como o aço.

12. Pirometalurgia do Ferro A pirometalurgia mais importante sem dúvida é a do ferro, devido à sua alta utilização na indústria A redução industrial dos óxidos de ferro é realizada em alto-forno.

13. Pirometalurgia do Ferro No forno o carbono do coque reage com o oxigênio para formar o monóxido de carbono 2C(s) + O2(g) 2 CO(g) ΔH = -221 kJ Em seguida o vapor de água reage com o carbono C(s) + H2O(g)  CO(g) + H2(g) ΔH = +131 kJ No topo do forno, o calcário se decompõe formandoCaO e CO2. Aí ocorre a redução do óxido de ferro por CO e H2. Reações de Fe3O4: Fe3O4(s) + 4 CO(g)  3 Fe(s) + 4 CO2(g)ΔH = -15 kJ Fe3O4(s) + 4 H2(g)  3 Fe(s) + 4 H2O(g)ΔH = +150 kJ

14. Formação do Aço Uma liga de ferro. A produção de aço envolve a remoção por oxidação de algumas impurezas que permanecem no ferro durante a redução no forno. Essas impurezas incluem principalmente silício, manganês, fósforo e enxofre. O recipiente onde o processo ocorre é chamado de conversor. O agente oxidante mais utilizado é o O2 puro ou diluído com Ar. A utilização de ar comprometeria o processo, pois o N2 reage com ferro deixando o aço quebradiço. A reação do oxigênio com carbono, enxofre e silício produz respectivamente CO(g), SO2(g) e SiO2. Este último atua na remoção do fósforo: 3 CaO(l) + P2O5(l)  Ca3(PO4)2(l) O processo termina quando as concentrações desejadas são alcançadas.

15. Hidrometalurgia As operações de pirometalúrgia necessitam de grandes quantidades de energia e são muito poluentes, principalmente, devido ao dióxido de enxofre. Para alguns metais, desenvolveram-se outras técnicas por meio de reações aquosas, as quais foram chamadas de hidrometalurgia (hidro = ‘água’).

16. O processo hidrometalúrgico mais importante é a lixiviação, na qual o composto desejado contendo o metal é dissolvido seletivamente. Mais comumente o agente lixiviador é uma solução aquosa de um ácido, base e sal formando um íon complexo. Exemplificando: Ouro 2 Au(s) + 8 CN-(aq) + O2(g) + 2 H2O(l) 4 Au(CN)2-(aq) + 4 OH-(aq) Depois que o íon metálico é lixiviado seletivamente de seu minério, ele é precipitado da solução como metal livre ou como um composto iônico solúvel. O ouro, por exemplo, é obtido a partir de seu complexo cianeto pela redução com zinco em pó. 2 Au(CN)2-(aq) + Zn(s) Zn(CN)42-(aq) + 2 Au(s)

17. Hidrometalurgia do Alumínio. Entre os metais, o alumínio só perde para o ferro no uso comercial. A produção mundial atinge aproximadamente 15 milhões de toneladas por ano. Dos minérios de alumínio, o mais comum é a bauxita. As principais impurezas encontradas na bauxita são SiO2 e Fe2O3. É essencial separar essas impurezas antes que o metal possa ser recuperado por redução eletroquímica. Nesse caso o processo usado é chamado de “Processo de Bayer”. Processo de Bayer: Nesse processo, o mineral é triturado e moído, depois digerido (dissolvido) em uma solução aquosa concentrada de NaOH, em torno de 30% em massa de NaOH, a uma temperatura na faixa de 150ºC a 230ºC. Uma pressão suficiente, de até 30 atm, para prevenir a ebulição.

18. No caso do Al2O3, ele se dissolve nessa solução, formando o íon complexo aluminato, Al(OH)4- . Os óxidos de ferro(III) não se dissolvem na solução fortemente básica. Diferenciando os compostos de ferro e alumínio. Isso porque o Al3+ é anfótero enquanto o íon Fe3+ não. Anfótero (ou anfiprótico) é a substância que pode se comportar como um ácido ou como uma base, dependendo do outro reagente presente. Se estiver na presença de ácido, comportar-se-á como uma base; se estiver na presença de uma base, comportar-se-á como um ácido.

19. Eletrometalurgia do Sódio Industrialmente o sódio é obtido de NaCl fundido e eletrolisado em uma célula conhecida como célula de Downs Normalmente adiciona-se CaCl2 para diminuir o ponto de fusão do NaCl. Os produtos devem ser mantidos separados para impedir que retornem a NaCl, o Na se oxida em contato com o ar, por isso é interessante mantê-lo isolado de oxigênio.

20. Eletrometalurgia do Alumínio Produção de Alumínio A obtenção industrial do alumínio metálico se faz através do processo Hall-Heroult, pela redução eletrolítica da alumina (Al2O3), dissolvida num banho de fluoretos fundidos. O processo se desenvolve em fornos especiais, revestidos de carbono também chamados cubas eletrolíticas, a uma temperatura de aproximadamente 960°C. A passagem da corrente elétrica do ânodo para o cátodo decompõe a alumina em alumínio e oxigênio. Este reage com o carbono do ânodo - elétrodo positivo - e o metal se deposita no cátodo - elétrodo negativo - sob a forma líquida.

21. Ligação Metálica A metalurgia não se restringe à discussão dos métodos empregados para obtenção deles na forma pura, mas também está preocupada como entendimento das propriedades dos metais. Propriedades físicas dos metais. • Uma superfície limpa apresenta lustre característico. • Alta condutividade térmica. • Alta condutividade elétrica. • Maleáveis e dúcteis.

22. Mar de Elétrons Nesse modelo o metal é visto como uma rede de cátions metálicos em um ‘mar’ de elétrons de valência. Os elétrons estão ligados aos cátions uniformemente distribuídos por meio de atrações eletrostáticas, sem no entanto ficarem confinados individualmente a um cátion (exemplo da bateria). A alta condutividade térmica dos metais também se deve à mobilidade dos elétrons, que permite a rápida transferência de energia cinética pelo sólido. Suas deformidades também se explicam por isso, já que os metais têm facilidade de formar ligações com seus vizinhos. Mas, tal modelo não explica todas as propriedades. Por exemplo, a força de ligação entre átomos metálicos deveria aumentar à medida que o número de elétrons de valência aumenta, resultando em um correspondente aumento nos pontos de fusão. No entanto, metais do grupo 6B estão no meio da tabela e apresentam os maiores pontos de fusão.

23. 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, transistores 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 para a confecção de seus componentes.

24. Ligas • As ligas são materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal. Comumente dividido em três categorias temos: • Ligas de solução • Ligas heterogêneas • Compostos intermetálicos

25. Ligas Ligas de solução As ligas de solução são misturas uniformes com elementos distribuídos aleatoriamente, formando assim uma liga substitucional, na qual um elemento ocupa o lugar do outro, ou uma liga intersticial, na qual um átomo ocupa o espaço deixado por outro. Ligas heterogêneas Com distribuição não uniforme dos componentes, a liga heterogênea tem zonas com maior distribuição de um determinado material. Compostos intermetálicos Tais compostos são amplamente utilizados na sociedade moderna. São materiais com propriedades físicas e químicas bem definidas.

26. Metais de Transição Muitos dos metais mais importantes da sociedade moderna são metais de transição e também muitos dos elementos menos familiares que têm tido papéis importantes na tecnologia moderna.

27. Propriedades Físicas Algumas propriedades são listadas pela tabela • Quase todos são metais duros de alto ponto de fusão e ebulição, conduzindo bem o calor e a eletricidade. • Podem formar ligas entre si. • Apresentam estados de oxidação muito variados. • É freqüente formarem compostos de coordenação com diferentes índices de coordenação. • O número de elétrons nos subníveis d é variável. É comum que os complexos que formam sejam coloridos ou apresentem paramagnetismo. • A maioria tem potenciais negativos, motivo pelo qual se dissolvem em ácidos, ainda que muitos se tornem positivos, recobrindo-se de uma capa protetora, e não se dissolvam. Alguns apresentam potenciais positivos como, por exemplo, o ouro.

28. Configurações Eletrônicas e Estados de Oxidação Os metais de transição devem sua localização na tabela periódica ao preenchimento dos subníveis d. No entanto, quando esses metais são oxidados, perdem elétrons s mais externos, antes de perderem os elétrons do subnível d. • Fe = Ar 3d6 4s2 enquanto o • Fe2+ = Ar 3d6 e o • Fe3+ = Ar 3d5 Muitos dos metais de transição têm o subníveis d parcialmente preenchidos, o que é o responsável por muitas das suas propriedades.

29. Configurações Eletrônicas e Estados de Oxidação • Eles geralmente apresentam mais de um estado de oxidação estável. • Muitos de seus compostos são coloridos. • Apresentam propriedades magnéticas interessantes.

30. Magnetismo Podemos dividir os compostos em três classes:  Diamagnéticos  Paramagnéticos  Ferromagnéticos No primeiro caso, os elétrons do sólido estão emparelhados. No segundo caso, os elétrons estão semi-emparelhados e os desemparelhados apresentam momentos magnéticos aleatórios. Entretanto, sob a ação de um campo magnético, elas podem se alinhar produzindo uma interação como em um ímã. No terceiro caso, todos os elétrons estão desemparelhados e apresentam momentos magnéticos influenciados pelos elétrons vizinhos e por isso apontam para o mesmo lado. Formando a interação mais forte entre os três, é o chamado ímã permanente. Os ferromagnéticos mais comuns são o Fe, Co e Ni.

31. Química de Alguns Metais de Transição Cromo Liberando hidrogênio e dissolvendo-se lentamente em HCl ou H2SO4 sem ar, notamos uma solução azul-celeste (cromo II); na presença de ar, o cromo II é oxidado por O2 formando assim cromo III (verde), que reagindo com H+ forma o íon [Cr(H2O)6]3+ violeta. Equação: Cr(s) + 2 H+(aq) Cr2+(aq) + 2 H2(g) Em solução ácida, a reação pode ser mostrada por 4 Cr2+(aq) + O2(g) + 4 H+(aq)  4 Cr3+(aq) + 2 H2O(l) Em soluções básicas o íon mais estável é o cromato amarelo (CrO42-). Em soluções ácidas o dicromato laranja escuro (Cr2O72-).

32. Química de Alguns Metais de Transição Ferro O ferro aparece na água devido ao contato desta com depósitos de FeCO3, reagindo com ácidos não-oxidantes forma Fe2+(aq). Porém, com ar é oxidado a Fe3+. Em cachoeiras, ou outros lugares onde a água passa, pode surgir uma mancha marrom, devido ao óxido de ferro (III) insolúvel. Quando a solução ácida de ferro (III) torna-se básica, um precipitado vermelho gelatinoso de Fe(OH)3 se forma. Sendo pouco solúvel em solução básica, permite a utilização do processo de Bayer, no refinamento do alumínio.

33. Química de Alguns Metais de Transição Cobre Com dois estados de oxidação +1 e +2, o Cu+ (branco) é praticamente insolúvel em água. Em solução: 2 Cu+(aq)  Cu2+(aq) + Cu(s) O Cu2+ possui muitos sais solúveis em água, o sal solúvel mais usado é o CuSO4.5H2O de cor azul. Ultimamente com o aumento dos casos de dengue, soluções de cobre como o CuSO4 tem sido utilizadas com o fim de afastar esses insetos de plantas que acumulam água, como as bromélias. O uso de tais soluções é vital na agricultura atual para o controle de pragas.

34. Referências bibliográficas Sites: http://www.eps.ufsc.br/teses99/milioli/cap2a.html www.cienciaquimica.hpg.ig.com.br http://www.cvrd.com.br/cvrd/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?sid=90 http://pt.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADnio www2.fiemg.com.br/.../painel-42.htm www.ifa.ukf.net/hallcell/hall.htm Livros: Brown, Lemay, Bursten. “Química a Ciência Central”. 9ª Edição Mahan Meyers “Química um Curso Universitário” 4ª Edição