Aula 7 – Nióbio, Tântalo e Zircônio
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Nióbio O que é o Nióbio? • É um elemento químico, de símbolo Nb , número atômico 41 . • Possui massa atômica igual a 92,9 g/ mol. • É um elemento de transição pertencente ao grupo 5 ou 5B da classificação periódica dos elementos. • Possui distribuição eletrônica [Kr]4d4 5s1 . Propriedades do Nióbio Raio médio 145 pm Raio atômico calculado 198 pm Raio covalente 137 pm Estrutura Cristalina Cúbica de Corpo Centrado Estado da matéria Sólido Ponto de fusão 2750 K Ponto de ebulição 5017 K Entalpia de vaporização 696,6 kJ/mol Entalpia de fusão 26,4 kJ/mol Pressão de vapor 0,0755 Pa a 2741 K Eletronegatividade 1,6 (Pauling) Calor específico 265 J/(kg·K) Condutividade elétrica 6,93 106 m-1·Ω-1 Condutividade térmica 53,7 W/(m·K) Fonte: Wikipédia Características principais • É um metal dúctil. • É um metal que tem boa resistência mecânica e tenacidade. • É um metal cinza brilhante em condições naturais. • Pode adquirir uma coloração azulada quando em contado com o ar em temperatura ambiente após um longo período. • Suas propriedades químicas são muito semelhantes às do tântalo (elemento químico), que está situado no mesmo grupo. • O metal começa a oxidar-se com o ar a 200 ºC e seus estados de oxidação mais comuns são +2, +3 e +5. Ocorrência •É encontrado em minerais como: • Niobita (columbita) [( Fe, Mn )( Nb, Ta )2O6]. • Niobita-tantalita [( Fe, Mn )( Ta, Nb )2O6]. • Pirocloro [( NaCaNb2O5F)] . • Euxenita [( Y, Ca, Ce, U, Th ) (Nb, Ta, Ti)2O6] . Característica principal • Minerais que contém nióbio geralmente contém também o tântalo. O nióbio é nosso • O Brasil lidera a produção mundial de nióbio, utilizado na fabricação de supercondutores. • Toda a tecnologia de purificação do nióbio foi desenvolvida na Faenquil, projeto iniciado por um grupo de engenheiros vindos da Unicamp no final da década de 70. • Em 12 anos o Brasil conquistou a auto-suficiência tecnológica no beneficiamento do produto. Jazidas de Nióbio Brasil Empresas do setor (exploradoras) • Mineração Catalão de Goiás – Controle acionário (Grupo Anglo American e Bozzano Simonsen). • Cia. Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), com capital distribuído entre o Grupo Moreira Sales e a Molycorp. • A CBMM a única empresa do setor que opera, desde a mina até a produção de produtos de nióbio de alto valor agregado. • O Centro de Desenvolvimento Ambiental da CBMM, já obteve os certificados ISO 9002 e ISO 14000. Reservas Brasileiras Reservas Brasileiras 96,30% Minas Gerais Amazonas Góias 1,00% 2,70% Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries Produção interna Produção interna 78,30% Minas Gerais Góias 21,60% Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries Mundo • O Brasil é o líder mundial em reservas conhecidas de pirocloro (Nb2O5), com uma participação de 88,0%, seguido do Canadá com 9,0%. Líderes Mundiais 0% 20% 40% Outros 80% 100% Brasil 88% Brasil Canadá 60% Canadá 9% Outros 3% Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries Principais Consumidores Internacionais • Os Países Baixos (28,0%), Estados Unidos (24,0%), Japão (22,0%), Alemanha (8,0%) e Canadá (7,0%), os principais consumidores do produto. Consumidores Mundiais 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Países Eua Japão Canadá Alemanha Baixos Fonte: DNPM – DEM, Mineral Commodity Summaries O Comércio do Nióbio ¾ A liga FeNb destina-se ao mercado externo na aplicação da fabricação de aços especiais (grades, estruturas e oleodutos), nas industrias automobilísticas, espaciais, navais, aeronáuticas e de ferramentas de alta precisão. ¾ A Cia Brasiliera de Metalurgia e Mineração exportou 87,8% de sua produção de FeNb (2006). ¾ A empresa exportou seus produtos para cerca de 330 clientes em 45 países e a partir desta base, a empresa atenderá com maior agilidade os clientes asiáticos, onde em Tóquio foi criado uma joint venture com a empresa nipônica Nissho Corporation. Fonte: CBMM Obtenção do Nb - Procedimentos para a obtenção do nióbio de alta pureza por redução do Nb2O5: Redução carbotérmica Redução silicotérmica Redução por hidrogênio Redução metalotérmica (alumínio e magnésio) Redução aluminotérmica do Nb2O5 - Forno para redução aluminotérmica do Nb2O5: Câmara de reação; Molde; Leito de escória. Principais reações envolvidas: 2/5 Nb2O5 + 4/3 Al -> 4/5 Nb + 2/3 Al2O3 NaClO3 + 2 Al -> Al2O3 + NaCl Refino em forno por feixe eletrônico Forno composto de dois canhões, câmara de fusão mantidos sob alto-vácuo. Os eletrodos fazem o lingotamento do metal. O lingote obtido na primeira fusão é resfriado. Em geral, três fusões são necessárias para se obter o nióbio altamente puro. Forno de feixe eletrônico Aplicações • Como elemento de liga para conferir melhoria de propriedades em produtos de aço; • Em superligas que operam a altas temperaturas em turbinas das aeronaves a jato; • Adicionado ao aço inoxidável utilizado em sistema de escapamento dos automóveis para evitar corrosão intergranular; • Produção de ligas supercondutoras de nióbio-titânio usadas na fabricação de magnetos para tomógrafos de ressonância magnética; • Encontra aplicação também em cerâmicas eletrônicas e em lentes para câmeras. Usos para os aços microligados ao nióbio • Na indústria naval e nas plataformas marítimas; • Nos tubos de grande diâmetro para transporte de gás ou petróleo; • Na produção dos aços Interstitial Free, livres de átomos intersticiais, com teor de carbono extra baixo (menos de 0,005%) e excelente conformabilidade; • Na construção civil, onde é típica a utilização de chapas grossas de aços de alta resistência microligados ao nióbio (pontes, viadutos e edifícios); • Amplo o emprego da tira laminada a quente na indústria automotiva (chassis de caminhões, nas rodas e em algumas partes estruturais); • Seu uso pode ser observado ainda em guindastes, vagões ferroviários, contêineres e veículos fora de estrada. Nióbio puro e suas ligas • Superliga – usada a temperaturas acima de 650 °C em atmosferas altamente oxidantes e corrosivas; • Supercondutividade, com desaparecimento total da resistividade elétrica, abaixo de temperaturas críticas próximas ao zero absoluto; • Em estado puro, encontra aplicação em aceleradores de partículas subatômicas; • Lâminas de nióbio puro usadas na produção de diamantes sintéticos; • Componentes de nióbio-titânio resistentes à ignição, usados por mineradoras, especialmente na mineração de ouro; • Nióbio para os alvos de evaporação usados na indústria de vidro arquitetural, nas lâminas de barbear e na indústria eletrônica; • Ligas de nióbio-titânio para uso em implantes cirúrgicos, de desenvolvimento recente. Lâmina de Nióbio Puro Ligas à base de Nióbio Lingotes de Nb-Ti para cabos (1988); Liga C-103: propulsores e bocais de foguetes; Cabos anódicos de Nb nas plataformas marítimas; Lâminas de Nb puro: diamantes sintéticos; Ligas Nb- Ti para implantes cirúrgicos; Cerâmicas finas Chamados materiais funcionais e estruturais de engenharia. Capacitores cerâmicos e lentes ópticas, ferramentas e peças de motor. 500 toneladas por ano de Nb2O5 para cerâmicas, 2/3 para Japão. Tântalo Ocorrência Ocupa a 54ª posição na escala de abundância relativa Columbita-Tantalita: fórmula geral, (Fe,Mn) (Ta,Nb)2O6 Minerais mais raros: Wodginita, Euxenita, Pirocloro Países da África ( Zimbábue, Congo, Nigéria e Moçambique), Brasil e Austrália columbite euxenite niobite Informações adicionais As reservas minerais conhecidas no mundo em 2001, segundo o Departamento Nacional de Produção Mineral – DNPM atingem 180.724 t de tantalita. O Brasil concentra 49,4% das reservas mundiais, seguido da Austrália com 32%. Propriedades É um metal de alto valor devido às suas propriedades intrínsecas que englobam: excelente ductilidade, resistência à corrosão, alto ponto de fusão e ebulição e boa condutividade térmica e elétrica. Pode ser trefilado em arames finos, que são usados como filamentos para evaporar metais como o alumínio. É atacado somente pelo ácido fluorídrico, por soluções ácidas contendo o íon fluoreto e por trióxido de enxofre. Álcalis o atacam de forma bastante lenta. Torna-se mais reativo em altas temperaturas. É supercondutor a -268,7°C. Filmes de óxido de tântalo são estáveis e possuem boas propriedades dielétricas. Rede Cristalina : cúbica de corpo centrado Grandeza Valor Unidade Massa específica do sólido 16650 kg/m3 Ponto de fusão 3017 °C Calor de fusão 36 kJ/mol Ponto de ebulição 5458 °C Calor de vaporização 735 kJ/mol Temperatura crítica s/ dado °C Eletronegatividade 1,5 Pauling Estados de oxidação +5 - Resistividade elétrica 13 10-8 Ω m Condutividade térmica 57,5 W/(m°C) Calor específico 140 J/(kg°C) Coeficiente de expansão térmica 0,63 10-5 (1/°C) Coeficiente de Poisson 0,34 - Módulo de elasticidade 186 GPa Velocidade do som 3400 m/s Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado - Produção Comercialmente a produção do tântalo pode seguir um dos diversos métodos: eletrólise do fluortantalato de potássio fundido; Redução do fluortantalato de potássio com sódio; Reagindo o carboneto de tântalo com óxido de tântalo; Como subproduto da extração do estanho; O processo “KROLL”(Titanio) também é aplicado para o tântalo Aplicações Atualmente a maior aplicação do tântalo, correspondendo a cerca de 60% do uso total, é como pó metálico na produção de capacitores, os quais regulam o fluxo de eletricidade nos circuitos integrados da indústria eletrônica. Seus capacitores têm maior capacitância por unidade de volume, propriedade responsável por sua extensiva utilização em circuitos elétricos miniaturizados como em telefones celulares,computadores pessoais, bens de consumo digitais (vídeos e câmeras, por exemplo), eletrônica de automóveis e equipamentos médicos. A foto mostra capacitores de tântalo. Aplicações Usado em superligas para fabricação de produtos laminados (como carbeto - TaC) e fios assim como em lâminas de turbinas para indústria aeronáutica. Vale lembrar que já foi muito usado como fio em filamentos de lâmpadas tendo sido substituído pelo tungstênio, que apresenta menor custo. Aplicações A demanda por concentrado de tantalita teve um aumento nos últimos anos devido principalmente à sua maior utilização em aparelhos eletrônicos portáteis como telefones celulares, laptops e vídeos. Estima-se que, com o desenvolvimento da indústria de telecomunicações, esta demanda aumente mais ainda. Zircônio Distribuição Eletrônica: [Kr]4d25s2 Estrutura Cristalina: Hexagonal Compacta - símbolo Zr - número atômico 40 - massa atômica 91 - sólido a temperatura ambiente - grupo 4 (4B) – metal de transição Distribuição de reservas e produção mundiais de zircônio A principal fonte de zircônio é a zirconita, ( ZrSiO4) cuja apresentação pode variar nas seguintes cores: marrom, verde, azul, vermelho, amarelo e incolor. Em termos teóricos, a composição da zirconita é formada de 67,2% de ZrO2 e 32,8% de SiO2. Outros minerais de zircônio conhecidos são a baddeleyta e o caldasito (ou zirkita). A baddeleyta (ou zircônia, ZrO2) é o segundo minério mais importante de zircônio. Contém teores de óxido de zircônio contido que variam entre 96,5% a 98,5%. Como esse minério apresenta teores tão significativos, é conhecido como uma fonte de extrema pureza na obtenção de zircônio metálico e compostos químicos. O caldasito, também conhecido como zirkita, cuja ocorrência só tem registro no Brasil, é um minério de zircônio que se apresenta como uma mistura de zirconita e baddeleyta, idêntica a uma massa compacta homogênea acizentada, podendo variar, quando oxidado, para as cores marrom ou vermelho. O metal é obtido principalmente de uma cloração redutiva através do processo denominado Kroll: primeiro se prepara o cloreto para depois reduzi-lo com magnésio. num processo semi-industrial, pode-se realizar a eletrólise de sais fundidos, obtendo-se o zircônio em pó que pode ser utilizado, posteriormente, em pulvimetalurgia. Propriedades - Massa específica: 6,51 g/cm3 a 300 K; - Coeficiente de Poisson: 0,34; - Ponto de fusão: 2125 K; - Coeficiente linear de expansão térmica: 5,78.10-6/K; - Ponto de ebulição: 4650 K; - Raio atômico: 2,16 Å - Calor de fusão: 16,9 kJ/mol; - Calor de vaporização: 58,2 kJ/mol; - Calor específico: 0,27 J/gK; - Condutividade térmica: 0,227 W/cmK; - Condutividade elétrica: 0,0236.106/cmΩ; - Módulo de Young: 98 Gpa; - Volume molar: 14,06 cm3/mol; Sistemas Cristalinos A fase monoclínica é estável até 1170 ºC de onde se transforma à fase tetragonal. A 2370 ºC, a fase tetragonal se transforma à fase cúbica que existe até 2680 ºC, o ponto de fusão da zircônia. Características - Metal branco acinzentado brilhante e muito resistente a corrosão; - Mais leve que o aço com uma dureza similar ao cobre; - Quando pulverizado entra em ignição no ar, de forma espontânea a altas temperaturas. Risco de explosão. Na forma de bloco, a ignição é difícil; - É resistente à corrosão de ácidos (melhor que o aço), e álcalis (supera o tântalo, o titânio e o aço inox), da água do mar e de outros agentes, mas pode se dissolver com HF, formando complexos com os fluoretos; - A menos que não esteja corretamente ligado, é pouco resistente à ação corrosiva da água e do vapor d’água; - Os estados de oxidação mais comuns são +2, +3 e +4; Características - À temperatura ambiente não reage com nenhum dos gases comuns e permanece brilhante por tempo indefinido. A altas temperaturas reage praticamente com todos os gases, formando compostos como óxidos e nitretos, ou simplesmente dissolve o gás, sem modificar a própria estrutura cristalina; - O háfnio está associado aos minerais de zircônio e a separação é difícil. O zircônio comercial pode ter até 3% de háfnio; - Ligado com zinco, torna-se magnético em temperaturas abaixo de 35 K; - Os compostos são de baixa toxidade; - Não se conhece nenhuma função biológica deste elemento. Aplicações - Devido à sua seção de capturas de nêutrons ser muito baixa, é utilizado principalmente (em torno de 90% do consumo) como revestimento de reatores nucleares, em forma de ligas zircaloy, que contém estanho, ferro e cromo em porcentagens reduzidas; - Aditivo em aços obtendo-se materiais muito resistentes; - Empregado em ligas com o níquel na indústria química devido a sua resistência diante de substâncias corrosivas e remoção de oxigênio de válvulas eletrônicas e ligas de aço; - Óxido de zircônio impuro é empregado na fabricação de utensílios de laboratório que suportam mudanças bruscas de temperaturas, revestimentos de fornos e como material refratário em indústrias cerâmicas e de vidro; - É bastante tolerado pelos tecidos humanos, por isso pode ser usado para a fabricação de articulações artificiais; - Também é empregado em trocadores de calor, tubos de vácuo e filamentos de lâmpadas. Aplicações - Alguns de seus sais são empregados para a a fabricação de antitranspirantes; - Pode ser usado como agente incendiário para fins militares; - Óxido de zircônio é usado em joalheria. É uma gema artificial denominada zirconita, que imita o diamante; - O carboneto e o nitreto são materiais de elevada dureza que se utilizam no fabrico de abrasivos e instrumentos cortantes. O nitreto de zircônio (ZrN) tem sido usado em substituição ao nitreto de titânio no revestimento de brocas; - O carboneto duplo de amônio e zirconilo é utilizado na preparação de fluidos hidrófobos e de revestimentos à prova de água; - Utilizado como constituinte de isolantes, esmaltes e outros materiais resistentes à temperatura; - Outras aplicações menores incluem a fabricação de lâmpadas de flash para fotografia, explosivos, fogos de artifício, balas traçadoras, foguetes de sinalização, etc; Aplicações - Pigmento na indústria de cerâmica; - Sensores para avaliação de oxigênio (para motores e indústria siderúrgica); - Tecidos High-tech; - Vidro metálico. O óxido de zircônio (ZrO2) ocorre na natureza na forma de um mineral raro, chamado baddeleyíta, que cristaliza no sistema monoclínico. Existe, porém, a zircônia artificial, que tem a mesma composição química, mas cristaliza no sistema cúbico, sendo, por isso, chamada de zircônia cúbica. Tanto a baddeleyíta quanto a zircônia cúbica são usadas como gema, sendo a zircônia cúbica muito mais conhecida por ser a mais perfeita imitação de diamante já obtida. Ela serve, além disso, para, variando a cor, imitar outras gemas, como a ametista. Materiais cerâmicos são frágeis e uma das maneiras conhecidas para se contornar esta deficiência é a introdução de partículas de zircônia na matriz, o que tenacifica o material, intensificando suas propriedades mecânicas. Assim, esta característica se faz muito importante quando estamos interessados em fabricar, por exemplo, cerâmicas dentárias. Inovações Tecnológicas Cientistas criam um vidro perfeito a partir de um metal Submetendo-o à mesma pressão capaz de criar os diamantes, cientistas da Universidade da Califórnia, Estados Unidos, criaram um vidro tão puro que poderá vir a ser chamado de o "vidro-diamante". O vidro metálico puríssimo poderá ser utilizado em materiais mais resistentes e estáveis para aplicações médicas, esportivas e em aplicações de opto-eletrônica. Os cientistas Yusheng Zhao e Jianzhong Zhang descobriram que o vidro de zircônio se forma a cerca de um terço da temperatura de fusão do elemento, quando o material é submetido a um pressão de cinco bilhões de Pascal, algo como 50.000 vezes a pressão atmosférica da Terra. Os vidros metálicos têm encontrado uma grande variedade de usos nos últimos 15 anos, substituindo materiais convencionais como metais cristalinos, ligas metálicas e cerâmicas de alta tecnologia. Entre as suas aplicações atuais estão materiais estruturais para engenharia, componentes eletrônicos, joalheria, esquis, raquetes de tênis e tacos de golfe. Os vidros metálicos se comportam elasticamente como os polímeros, mas são mais fortes do que as ligas metálicas. Isto os torna quase inquebráveis, mantendo o formato e sendo difíceis de serem riscados. Mas até agora os vidros metálicos continham três ou mais elementos, o que diminui sua estabilidade termal. O novo vidro de zircônio puro resolve este problema. O material permanece estável a temperaturas acima de 800º C e pressões de mais de 2,8 bilhões de Pascal.
