bronze junto

Aluno : Felipe Vieira Orlando
Diogo Ferraz Gorgulho
Universidade Federal de engenharia de
Itajubá
Universidade Federal de Itajubá
Introdução
No capítulo 23, iremos estudar as
maneiras de se obter metais à partir
de suas fontes naturais, a ligação nos
sólidos e como os metais e suas
misturas (ligas) são empregadas na
tecnologia moderna.
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Distribuição
• A maioria
dos metais
úteis não é
encontrada em
abundância na
litosfera, a
qual é de fácil
acesso.
• Partes do nosso planeta
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Minerais
• Mineral é um corpo natural sólido e cristalino
formado em resultado da interação de
processos físico-químicos em ambientes
geológicos
• Curiosidade: os nomes dos minerais são
geralmente baseados nos locais onde eles
foram descobertos.
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Fontes de alguns metais
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Magnetita
Magnetita –formado pelos
óxidos de ferro II e III ( FeO .
Fe2O3 ), cuja fórmula química
é Fe3O4
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Metalurgia
Metalurgia em 1875
•A metalurgia é a ciência e a tecnologia de
extração dos minerais das respectivas fontes
naturais e de sua respectiva preparação para
a utilização. Universidade Federal de Engenharia de
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Pirometalurgia
• É um processo metalúrgico que utiliza altas
temperaturas para alterar o mineral
quimicamente para que no final se reduza a
um metal livre
• Tipos:
-Calcinação
-Ustulação
-Fusão
-Refinamento
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Calcinação
• São todos os processos metalúrgicos que
dependem de elevadas temperaturas afim de
provocar decomposição do mineral,
eliminando componentes voláteis
Exemplo: PbCO3(s)  PbO(s) + CO2(g)
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Ustulação
É o processo térmico que provoca a reação
química entre o minério e a atmosfera do
forno, pode ser acompanhada de calcinação.
• PbO(s) +
CO(g)

Pb(l)
Atmosfera que reduz.
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+
CO2(g)
Fusão
É um processo em que os materiais formados
durante as reações químicas são separados em
duas ou mais camadas. Dois tipos de camadas
importantes são formadas na fundição: metais e
escória (resíduo silicoso).
Exemplo: CaO(l) + SiO2(l)  CaSiO3(l)
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Refinamento
É um processo metalúrgico utilizado para
melhorar a pureza e definir uma melhor
composição do metal impuro e bruto.
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Pirometalurgia do ferro
• Fonte: hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4)
• Produção
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O coque reage com o oxigênio produzindo gás carbônico
C + O2 → CO2
O dióxido de carbono reduz-se formando monóxido de carbono:
CO2 + C → 2CO
O processo de oxidação do coque com oxigênio libera energia. Na
parte inferior do alto forno a temperatura pode alcançar 1900 °C.
Fe3O4 + 3CO → 3FeO + 3CO2
FeO + CO → Fe + CO2
Posteriormente, na parte inferior do alto forno, onde a temperatura
é mais elevada, ocorre a maior parte da redução dos óxidos com o
coque (carbono):
Na parte mais inferior do alto forno ocorre a carburação:
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
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Formação do aço
O aço é uma liga de ferro.
Na sua produção, as
impurezas são removidas
por oxidação em um
recipiente chamado
conversor. Nas usinas, o
agente oxidante é O2 puro
ou diluído com argônio. A
reação do O2 com o
enxofre forma o SO2 que
serve para remover o
fosfóro:
3 CaO(l) + P2O5(l)  Ca3(PO4)2(l)
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Hidrometalurgia
• Para alguns metais a extração do metal de
seus minérios é feita por meio de reações
aquosas, a vantagem deste método é que ele
não polui a atmosfera como a pirometalurgia.
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Lixiviação:
• Processo em que se dissolve seletivamente o
minério que contém o composto.
2Au(CN)2-(aq) + Zn(s) →
Zn(CN)4(aq) + 2Au(s)
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Hidrometalurgia do alumínio
Fonte: Bauxita (Al2O3 · xH2O)
Impurezas presentes: SiO2 e Fe2O3.
Processo para purificar a bauxita: Processo de Bayer.
- Consiste primeiramente na trituração e depois digestão em uma solução
de NaOH, a uma temperatura de 150ºC a 230ºC e a uma pressão suficiente
para impedir a ebulição;
- Al2O3, ele se dissolve nessa solução, formando o íon complexo aluminato,
Al(OH)4 ;
Al2O3.H2O(s) + 2H2O(l) + 2OH-(aq) → 2Al(OH)4(aq)
- O pH da solução é reduzido para que o hidróxido de alumínio se precipite;
- O precipitado é calcinado na preparação por eletrorredução
- No fim, a solução é aquecida para evaporar a água (procedimento que
requer mais energia e portanto encarece a operação)
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Eletrometalurgia
• Muitos processos usados para reduzir
minerais metálicos ou metais refinados são
baseados na eletrólise. Coletivamente
denominamos de eletrometalurgia, são úteis
na produção do sódio, magnésio e alumínio.
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Eletrometalurgia do Sódio:
Este é produzido a partir das eletrólise do sal NaCl fundido
em uma célula de Downs.
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Anodo de carbono : 2Cl-

Cl2(g)
+ 2e- 
Catodo de ferro:
2Na+
Equação global:
2Cl- + 2Na+ 
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+
2e-
2Na(l)
Cl2(g) + 2Na(l)
Eletrometalurgia do alumínio
Criolita: Fundente
Na3AlF6
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Parte II
Ligação Metálica
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Modelo do mar de elétrons
• Características mostradas no
modelo:
Vantagens:
1- Uma rede de cátions metálicos num
“mar” de elétrons de valência;
2- Elétrons confinados ao metal por
atração eletrostática aos cátions;
3- Elétrons fluem livremente através do
metal, pois nenhum elétron é
localizado entre dois átomos de metal;
4- Não possui ligações definidas e
mostra facilidade de deformação
(maleabilidade e ductilidade);
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Propriedades físicas dos metais
 1- Alta condutividade térmica;
 2- Alta condutividade elétrica;
 3- Maleáveis;
 4- Dúcteis;
 5- Estruturas sólidas;
X 6- Pontos de fusão aumentam para o
centro dos grupos de metais de
transição (tendem ao grupo 6B).
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Modelo do orbital molecular
• Superposição dos orbitais atômicos de valência de um átomo
metálico com os orbitais atômicos dos vários átomos
metálicos ao seu redor;
• Resulta na formação de orbitais moleculares ligantes e
antiligantes;
• Os orbitais moleculares de uma dada faixa de energia são
pouco espaçados, mesmo quando se considera a energia do
mais alto e a do mais baixo;
• Quanto maior o número de orbitais, menos espaçada será a
diferença de energia entre esses;
• Nos metais há um número muito grande de orbitais;
• Devido às separações serem tão pequenas, pela praticidade
podemos definir uma banda de energia;
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Desvantagens:
1- Com o aumento do número de elétrons de valência, a
força de ligação deveria aumentar, junto com o ponto de
fusão;
2- No entanto os metais do grupo 6B (Cr, Mo, W), que
estão no centro dos metais de transição, possuem os
maiores pontos de fusão;
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POR QUE ESSE MODELO É MAIS ADEQUADO?
1- Caráter metálico: o número de elétrons
disponíveis
não preenche completamente a banda de energia;
2- Facilita o movimento de elétrons excitados para um
orbital de maior energia (condutividade elétrica e térmica);
3- Ponto de fusão mais alto no meio da série dos
metais de transição (grupo 6B);
4- Elétrons livres para se mover ao redor do sólido
(maleabilidade e ductilidade).
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Propriedades físicas dos metais
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Condutibilidade: Capacidade de conduzir
energia térmica, elétrica;
Ductibilidade: É uma medida do grau de
deformação plástica que foi suportado até a
fratura.
Resilência: Capacidade do material absorver
energia quando deformado elasticamente.
Tenacidade: É a capacidade do material absorver
energia até sua fratura.
Dureza: É a capacidade de um material resistir ao
risco.
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Características do Metais
 1- Alta condutividade térmica;
 2- Alta condutividade elétrica;
 3- Maleáveis;
 4- Dúcteis;
 5- Estruturas sólidas;
 6- Pontos de fusão aumentam para o centro dos
grupos de metais de transição (tendem ao grupo 6B)
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Isolantes
• Isolante designa um conjunto de materiais que por suas características
físico-químicas confere propriedades úteis ao seu emprego em diversas
aplicações industriais ou arquitetônicas por propiciar barreiras ao calor,
eletricidade ou som, por exemplo.
• Classes de isolantes:
• Isolantes térmicos
• Isolantes elétricos
• Isolantes sonoros
• O que determina se um material será bom ou mau condutor são:
• Composição química do material : materiais diferentes têm
condutividades térmicas diferentes em decorrência das ligações em sua
estrutura atômica ou molecular;
• Densidade
• Características físicas: materiais fibrosos ou porosos
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Isolantes
Possuem altos valores de resistência elétrica e por isso
não permitem a livre circulação de cargas elétricas,
por exemplo borracha,silicone,vidro, cerâmica. O que
torna um material bom condutor elétrico é a grande
quantidade de elétrons livres que ele apresenta à
temperatura ambiente, com o material isolante
acontece o contrário, ele apresenta poucos elétrons
livres à temperatura ambiente. Os isolantes elétricos
são separados de acordo com a tensão que se quer
fazer o isolamento
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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, transístores 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 confecção de seus componentes.
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Semicondutores
• Semicondutor de Silício
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Ligas Metálicas
• Liga metálica é uma mistura de substâncias
cujo componente principal é um metal.
-Quando misturamos dois ou mais metais ou um
metal com outra substância não necessariamente
metálica, podemos conseguir um material com
certas propriedades que cada substância não tinha
individualmente e que serão úteis para
determinada aplicação.
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• Exemplos de ligas:
• Aço: liga de ferro e carbono
• Bronze: liga de cobre e estanho
• Latão: liga de cobre e zinco
• Ouro 18 quilates: liga de ouro e cobre
• Aço inoxidável: ferro, carbono, cromo e níquel.
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Ligas substituintes:
São ligas em que os átomos do soluto ocupam o lugar
do solvente.
- Esta precisa que o átomo de soluto tenha dimensões
próximas a do solvente, além de terem propriedades
elétricas parecidas.
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Ligas Intersticiais:
São ligas em que os átomos de soluto ocupam os
vales intersticiais da rede metálica.
-O átomo de soluto tenha um raio
significantemente menor em relação ao do
solvente.
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Super Ligas
São ligas que se constituem de vários materiais que
possuem alguma característica física elevada.Estas
possuem combinações superlativas de
propriedades.Normalmente formadas por: Nb, Fe, Ti,
Mo e Cr
Ex: Nióbio: temperatura de fusão 3410 °C
Tântalo: Alta resistência a corrosão.
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Metais de transição
 Propriedades físicas:
• Ocupam o bloco d da tabela periódica;
• Crescente importância dos metais de transição
antes desconhecidos, devido à sua utilização na
tecnologia moderna (exemplo motor de jato).
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38% - Titânio
37% - Níquel
12% - Cromo
06% - Cobalto
05% - Alumínio
01% - Nióbio
0,02% - Tântalo
• Propriedades atômicas (exemplo raios atômicos);
- tendência de maneira regular ao longo de cada
série;
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Configurações eletrônicas e estados de
oxidação
• Estados de oxidação:
- +2, devido à perda de seus dois elétrons ns mais externos;
- caso acima de +2, deve-se às perdas sucessivas de elétrons
(n1)d;
- exceção: Sc, íon +3 tem configuração particularmente estável.
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Dipolo Magnético
• Elétrons que circulam ao redor de núcleos
atômicos, de seus próprios eixos, e de núcleos
atômicos carregados positivamente são todos
dipolos magnéticos. A soma destes efeitos pode se
cancelar, de forma que um determinado tipo de
átomo pode não ser um dipolo magnético. Se eles
não se cancelam completamente, o átomo é um
dipolo magnético permanente, como são, por
exemplo, os átomos de ferro.
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Magnetismo:
É o fenômeno pelo qual os materiais impõem
uma força ou influência de atração ou de
repulsão sobre outros materiais.
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Diamagnetismo
• É uma forma muito fraca de magnetismo que
não é permanente e que persiste apenas em
quanto um campo externo está sendo
aplicado.A magnitude do momento magnético
produzido é pequena e ocorre em direção
oposta ao campo aplicado, ocorre repulsão.
Ex: benzeno
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Paramagnetismo:
• Ocorre em átomos em que o momento dipolo é
permanente, ou seja, não houve o cancelamento
dos momentos dipolos dos átomos .Inicialmente
estes dipolos estão desalinhados, porém quando
submetidos a uma magnetização externa, estes
se alinham no sentido do campo externo gerado,
portanto eles aumentam a força do campo
externo.
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• O forte paramagnetismo diminui de
intensidade com o aumento da temperatura,
devido ao desalinhamento produzido pela
grande movimentação dos elétrons.
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Ferromagnetismo:
• Característico de materiais que possuem
momento magnético permanente ( magnetita,
ferrita) na ausência de um campo externo,
manifestam magnetizações muito intensas.
• O ferromagnetismo diminui com o aumento
da temperatura.
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Química em alguns metais de
transição
• Cromo (Cr)
- Na ausência de ar, o Cr se dissolve em ácido
clorídrico ou ácido sulfúrico, formando uma
solução azul com íon de Cr2+;
- Na presença de ar, o Cr2+ oxida facilmente para Cr3+;
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• Ferro (Fe)
- Em solução aquosa existem os estados de oxidação +2
(ferroso) e +3 (férrico);
- Geralmente aparece em solução aquosa devido ao
contato com depósitos de FeCO3, com ajuda do CO2
dissolvido na água:
FeCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l)  Fe2+(aq) + 2 HCO3-(aq)
- Na presença de ar, o Fe2+ é oxidado a Fe3+:
4 Fe2+(aq) + O2(g) + 4 H+(aq)  4 Fe3+(aq) + 2 H2O(l) E°=+0,46 V
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Massa atômica: 55,845(u)
Raio atômico: 140pm
Configuração eletrônica: [Ar]3d64s2
Estrutura Cristalina: CCC
Ferromagnético
Temperatura de Fusão: 1538 °C
O Fe+2 juntamente os cátions Ca+2 e Mg+2
contribuem para a dureza da água.
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Cobre
Apresenta os seguintes estados de oxidação: +1, +2. E
configuração eletrônica: [Ar]3d104s1
Estrutura cristalina CFC
Os sais de Cu+ são geralmente insolúveis em água e
possuem coloração branca.
Porém grandes quantidades de sais de Cu+2 são solúveis
em água como:CuSO4 . 5H2O, Cu(NO3)2
2Cu+(aq)
Cu+2(aq)
+
Cu(s)
Normalmente o CuSO4 é adicionado a água para deter o
crescimento de algas e fungos, somente é tóxico ao
homem em elevadas quantidades.
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Conclusão
• A metalurgia visa o entendimento das propriedades
dos metais para desenvolvimento de novos materiais
úteis.
• Principais processos: pirometalurgia, hidrometalurgia
e eletrometalurgia.
• As ligas metálicas são muito empregadas na
tecnologia moderna.
• A metalurgia atual está desenvolvendo novos
métodos que buscam minimizar os impactos sobre o
meio ambiente.
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Bibliografia
• T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten e J.
R. Burdge. Química: A Ciência Central, 9ª. ed..
São Paulo: Pearson, 2005.
• http://willyank.sites.uol.com.br/DOWNLOAD/
DiagramaFeCb.jpg
• http://www.macdarma.com.br/imagens
/produtos/miniclassificadores.jpg
Willian D. Callister , Jr. – Ciência e
Engenharia de materiais uma Introdução.
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