ECA-23

Metais e
Metalurgia
Componentes:
Estevão Pepato
nº:14394
Marco Tulio Braz da Cruz
nº:14414
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
Introdução
O capítulo 23 nos reserva o fascinante
mundo da metalurgia e as propriedades
dos metais mais presentes no nosso diaa-dia.
Veremos também as formas mais comuns
para a utilização dos metais de transição e
suas ligas.
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.
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.
Metal
Mineral
Composição
Alumínio
Bauxita
Al2O3
Cromo
Cromita
FeCr2O4
Cobre
Calcosita
Calcopirita
Malaquita
Cu2S
CuFeS2
Cu2CO3(OH)2
Ferro
Hematita
Magnetita
Fe2O3
Fe3O4
Chumbo
Galena
PbS
Manganês
Pirolusita
MnO2
Mercúrio
Cinábrio
HgS
Molibdênio
Molibdenita
MoS2
Estanho
Cassiterita
SnO2
Titânio
Rutilo
Ilmenita
TiO2
FeTiO3
Zinco
Esfalerita
ZnS
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.
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.
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.
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)
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.
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.
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 formando CaO 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
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.
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’).
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)
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.
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.
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.
Eletrometalurgia do Alumínio
Produção de Alumínio
A obtenção industrial do alumínio metálico se faz através do processo HallHeroult, 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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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-).
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.
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.
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