ECA-23

Universidade Federal de Itajubá
Química Geral Qui102
Metais e Metalurgia
Metais e
Metalurgia
Paulo Roberto Ponzoni de Abreu - 15779
Sidney Augusto de Castro - 15784
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Metais e Metalurgia








Ocorrência e distribuição dos metais
Pirometalúrgia
Hidrometalúrgia
Electrometalúrgia
Ligação metálica
Ligas
Metais de transição
Química de alguns metais de transição
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Metais e Metalurgia
Ocorrência e distribuição dos metais
•
Minerais: a maioria dos elementos metálicos
encontrados na natureza em composto
inorgânicos sólidos.
•
Minério: depósito que contêm metal suficiente
para ser extraído economicamente.
•
Depósitos de metais concentrados são
encontrados abaixo da superfície terrestre.
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Malaquita
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Metalurgia
•
É a ciência e a tecnologia de extração de metais a
partir de sua fontes naturais e de sua preparação
para uso prático.Existem cincos etapas
importantes:





Mineração (remoção de minérios do solo)
Concentração (preparação para tratamento futuro)
Redução (obtenção do metal livre no estado de oxidação
zero)
Refino (obtenção do metal puro)
Mistura com outros metais ( para formar uma liga)
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A Mineração Taboca - Mina
de Pitinga, empresa do
Grupo Paranapanema,
situa-se na reserva
indígena Waimiri Atroiari,
no município de Presidente
Figueiredo, a cerca de 330
km de Manaus - AM. Os
depósitos minerais são
compostos principalmente
de cassiterita, columbita,
tantalita, zirconita,
xenotima e criolita.
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Metais e Metalurgia
Pirometalurgia
•
•
É a uso de altas temperaturas
para obtenção de metais livres
Um grande números de
processos metalúrgicos usam o
calor para alterar ou reduzir os
minerais.
2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO2
2 Cu2O + Cu2S → 6 Cu + SO2
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Diversas Etapas são empregadas:
•Calcinação é o aquecimento do minério para
provocar a decomposição e a eliminação de um
produto volátil
•A maioria dos carbonatos decompõe-se de maneira
razoavelmente fácil em temperaturas na faixa de 400
a 500 ° C
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• A ustulação é um tratamento térmico que
provoca reações químicas entre o minério e a
atmosfera dos fornos.
• A ustulação pode a oxidação ou a redução e
pode ser acompanhada pela calcinação.
• Um importante processo é a oxidação dos
minerais sulfeto, nos quais o metal é convertido
em óxido.
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O método de redução não é sempre possível especialmente com metais
ativos , que são difíceis de reduzir.
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Metais e Metalurgia
•
•
•
Fusão de minérios é um processo de
derretimento que faz com que os materiais se
separem em duas ou mais camadas.
A escória consiste principalmente em silicatos
derretidos junto com aluminatos , fosfatos,
fluoretos e outros materiais inorgânicos
O refino é o processo durante o qual um metal
bruto impuro é convertido em um metal
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Pirometalurgia do
ferro
•O ferro esta presente
na maioria dos
minerais diferentes.OS
importantes são a
magnetita (Fe3O4) e
hematita (Fe2O3 )
Hematita
Magnetita
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Metais e Metalurgia
•A redução do ferro é
feita em alto-forno
•A minério , o calcário
e o coque são
adicionados ao topo
do alto-forno
•Coque é o carvão que
foi aquecido para
expelir os
componentes voláteis
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Metais e Metalurgia
•
Para a produção de 1 kg de ferro gusa necessita de
aproximadamente 2 kg de minério , 1 kg de coque ,
0,3 kg de calcário e 1,5 kg de ar.
•
O coque reage com o oxigênio para formar o CO ( o
agente redutor)
•
O CO é tambem produzido pela reação do vapor
d’agua no ar com C:
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Metais e Metalurgia
•
•
•
•
Em torno de 250°C, o calcário é calcinado (aquecido
para decomposição e eliminação dos voláteis).
Os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO:
O ferro fundido é produzido bem abaixo no alto-forno
removido no fundo.
A escória (materiais de silicato fundido) é removida acima
do ferro derretido.
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•Se o ferro vai ser transformado em aço, ele é
derramado diretamente em uma fornalha básica de ferro
•O ferro fundido é convertido em aço, uma liga de ferro.
•Para remover as impurezas , o 02 é soprado através da
mistura derretida. Assim o oxigênio oxida as impurezas
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Hidrometalurgia
•As operações
pirometalúrgicas necessitam
de grandes quantidades de
energia e, geralmente , são
uma fonte de poluição
atmosférica, sobretudo pelo
dióxido de enxofre.
•Para alguns metais, outras
técnicas tem sido
desenvolvida nas quais o
metal é extraído de seus
minérios por meio de reações
aquosas.
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O processo hidrometalúrgico mais importante é a
lixiviação, na qual o composto desejado contendo o
metal é dissolvido seletivamente.
Hidrometalúrgia do Alumínio
•
•
O alumínio é o segundo metal mais útil.
A bauxita é um mineral que contém Al como Al2O3.xH2O.
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O processo de Bayer
O minério triturado é dissolvido em NaOH 30% ( em
massa) a 150 – 230°C e alta pressão
( 30 atm
para impedir a ebulição)
Al2O3 dissolve
A solução de aluminato é separada através da redução
do pH
A solução de aluminato é calcinada e reduzida para
produzir o metal
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•
•
Eletrometalúrgia
Muitos processos usados para reduzir
minerais metálicos ou metais refinados
são baseados na eletrólise.
Os procedimentos eletrometalúrgicos
podem ser muito diferenciados de acordo
com o fato de se envolver eletrólise de
sal fundido ou de solução aquosa.
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



O sódio é produzido por eletrólise do NaCl fundido
em uma célula de Downs
O CaCl2 é usado para reduzir o ponto de fusão do
NaCl de 804°C para 600°C
Na(l) e Cl2(g) produzido na eletrólise são mantidos
de forma a não entrar em contato e formar
novamente NaCl
Na não pode entrar em contato com o oxigênio
porque o metal oxidaria rapidamente sob condições
de alta temperatura.
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Eletrometalúrgia do Alumínio
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Eletrometalúrgia do Cobre
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•
•
As impurezas do anodo de cobre incluem
chumbo, zinco, níquel, arsênio, selênio, telúrio e
vários outros metais preciosos, inclusive ouro e
prata.
As impurezas metálicas mais ativas que o cobre
são oxidadas rapidamente no anodo, mas não
se incrustam no catodo porque seus potenciais
de redução são mais negativos que o potencial
para Cu2+.Entretanto, metais menos ativos não
são oxidados no anodo.
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Propriedades físicas dos metais
•
•
•
•
A superfície limpa tem um lustre característico.
Quando tocados, transmitem uma sensação
fria característica, relacionada a alta
condutividade térmica deles.
Altas condutividades elétricas.
São maleáveis.
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Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica
•
•
•
•
•
•
Os elétrons estão uniformemente distribuídos pela
estrutura.
São móveis.
Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal.
Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.
Sem quaisquer ligações definidas, os metais são fáceis de
deformar (e são maleáveis e dúcteis).
A alta condutividade térmica é explicada pela mobilidade
dos elétrons, o que permite a transferência da energia
cinética.
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•
•
À medida que o número de elétrons aumenta, a força
da ligação deveria aumentar e o ponto de fusão
deveria aumentar.
Porém, os pontos de ebulição mais altos são os do
grupo 6B.
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Modelo do orbital molecular para os metais
•
•
•
•
A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em
um átomo interajam com orbitais atômicos em átomos
vizinhos.
Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre
um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons
deslocalizados sobre um anel.
O número de orbitais moleculares é igual ao número de
orbitais atômicos.
Nos metais há um número muito grande de orbitais.
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Metais e Metalurgia
•
•
•
•
•
À medida que o número de orbitais aumenta, seu
espaçamento de energia diminui e eles se ligam.
O número de elétrons não preenche completamente a
banda de orbitais.
Conseqüentemente, os elétrons podem ser promovidos
para bandas de energia desocupadas.
Sob a influencia de qualquer fonte de excitação, os elétrons
movimentam-se para dentro dos níveis anteriormente
vagos e podem se mover livremente pela rede.
Isso da origem a condutividade térmica e elétrica.
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Metais e Metalurgia
Ligas
•
•
•
•
Possui mais de um elemento com características de metais.
Modifica as propriedades de elementos puros.
Usa-se uma liga de ouro e cobre para a confecção de jóias, já que o
ouro puro é relativamente macio.
As ligas podem ser classificadas como ligas de solução ou ligas
heterogêneas.
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Ligas de Solução
•
•
•
•
•
As ligas podem ser classificadas como ligas de
solução ou ligas heterogêneas.
São misturas homogêneas com componentes
dispersos aleatória e uniformemente.
Liga substitucional: átomos do soluto substitui
átomos do solvente. Raios atômicos similares.
(diferenças de ate 15%)
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•
Liga intersticial: átomos do soluto ocupam áreas
intersticiais.
Raio do componente presente nas posições
intersticiais deve ser muito menor.
Liga mais forte, mais dura e menos dúctil.
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•
•
•
Ligas Heterogêneas
Os componentes não estão dispersos
uniformemente.
As propriedades dependem não só da composição,
mas também da maneira pela qual o sólido é
formado a partir da mistura fundida.
Resfriamento rápido ou lento.
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•
•
Metais de transição
Ocupam o bloco d da tabela periódica.
Envolvem elementos importantes como cromo,
ferro, níquel e cobre.
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Metais e Metalurgia
•
•
•
A energia de ionização e o raio atômico são características dos átomos
isolados. Variam de formas similares.
Normalmente, o raio diminui com o aumento da carga nuclear efetiva
sofrido pelos elétrons de valência, porém, os elétrons não-ligantes
exercem efeitos repulsivos que fazem com as distancias de ligação
aumentem.
Densidade e o ponto de fusão são características do sólido metálico
como um todo.
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•Configurações eletrônicas e estados de oxidação
•
•
•
Os metais de transição perdem os elétrons s antes dos
elétrons d.
Exemplo: Fe: [Ar]3d64s2, Fe2+: [Ar]3d6.
Os elétrons d são responsáveis por algumas propriedades
importantes:
– os metais de transição têm mais de um estado de oxidação,
– os compostos de metais de transição são coloridos (devido
às transições eletrônicas),
– os compostos de metais de transição têm propriedades
magnéticas.
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•
•
•
Todos os estados de oxidação para os metais são
positivos.
A perda de ambos eletrons s gera o estado de oxidacao
+2, sendo este muito comum.(Exceção: o estado de
oxidação +3 é isoeletrônico com o Ar.)
O Mn possui o estado de oxidacao comum maximo, +7.
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•
•
•
•
Magnetismo
As propriedades magnéticas fornecem informações
sobre a ligação química.
O spin do elétron faz com que ele se comporte como
um imã.
Quando dois spins são contrários os campos
magnéticos se cancelam (diamagnético).
Quando os spins estão desemparelhados, os campos
magnéticos não se cancelam (paramagnético).
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•
•
•
Diamagnético (nenhum átomo ou íon com momentos
magnéticos).
Paramagnético (momentos magnéticos não alinhados fora de
um campo magnético).
Ferromagnético (centros magnéticos acoplados alinhados em
um sentido comum).
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Cromo
Na ausência de ar, o Cr reage com ácido para formar uma
solução azul de Cr2+ :
Cr(s) + 2H+(aq) → Cr2+(aq) + H2(g)
• Na presença de ar, o Cr2+ oxida-se facilmente a Cr3+:
4Cr2+(aq) + O2(g) + 4H+(aq) → 4Cr3+(aq) + 2H2O(l)
• Na presença de Cl-, o Cr3+ forma o íon verde
Cr(H2O)4Cl2+.
• Em solução aquosa, o Cr normalmente está presente no
estado de oxidação +6.
•
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Ferro
•
•
•
•
•
•
Em solução aquosa, o ferro está presente nos estados de oxidação
+2 (ferroso) ou +3 (férrico).
O ferro reage com agentes não-oxidantes para formar Fe2+(aq).
Na presença de ar, o Fe2+ é oxidado a Fe3+.
Como com a maior parte dos íons metálicos, o ferro forma íons
complexos, Fe(H2O)6 + á n+ em água.
Em solução ácida, o Fe(H2O)63+ é estável, mas em base o Fe(OH)3
precipita-se.
Se NaOH é adicionado a uma solução de Fe3+(aq), forma-se um
precipitado amarronzado de Fe(OH)3.
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Metais e Metalurgia
Cobre
•
•
•
•
•
•
Em solução aquosa, o cobre tem dois estados de
oxidação
dominantes: +1 (cuproso) e +2 (cúprico).
O Cu+ tem uma configuração eletrônica 3d 10.
Os sais de Cu(I) tendem a ser brancos e insolúveis em
água.
O Cu(I) desproporciona-se:
2Cu+(aq) → Cu2+(aq) + Cu(s)
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Metais e Metalurgia
•
•
•
•
•
•
O Cu(II) é o estado de oxidação mais comum.
O vitríolo azul é CuSO4.5H2O.
Em solução aquosa, quatro moléculas de água estão
coordenadas ao Cu e uma está ligada através de
ligação de hidrogênio ao sulfato.
Dentre os sais de cobre(II) solúveis em água, incluemse
Cu(NO3)2, CuSO4 e CuCl2.
Entretanto, o Cu(OH)2 é insolúvel e pode ser precipitado
pela, adição de NaOH a uma solução contendo íons de
Cu2+.
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Referências BiBliográficas
•
•
•
•
Química: A Ciência Central, 9ª ed.. Brown, LeMay,
Bursten
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