Capítulo 23 Metais e metalurgia

Metais e
metalurgia
Capítulo 23
Fernando Seidi Sakashita
nº:14445
Caio Kenji Hirose
nº: 14429
Introdução
Neste capítulo, vamos estudar como
obtemos os metais a partir de suas
fontes naturais, a ligação nos sólidos
e como os metais e suas misturas
(chamadas ligas) são empregadas na
tecnologia moderna.
Distribuição
• A maioria
dos metais
úteis não é
encontrada em
abundância na
litosfera, a
qual é de fácil
acesso.
• Partes do nosso planeta
Minerais
• Com exceção do ouro e dos metais do grupo
da platina, a maioria dos elementos metálicos
é encontrada na natureza em compostos
inorgânicos chamados minerais.
• Curiosidade: os nomes dos minerais são
geralmente baseados nos locais onde eles
foram descobertos.
Fontes de alguns metais
Metalurgia
Metalurgia 1875
• designa um conjunto de procedimentos e
técnicas para extração, fabricação, fundição e
tratamento dos metais e suas ligas.
Pirometalurgia
• É um processo metalúrgico que utiliza altas
temperaturas para alterar o metal
quimicamente para que no final se reduza a
um metal livre
• Tipos:
-Calcinação
-Ustulação
-Fusão
Calcinação
Alguns minérios se decompõem durante o
aquecimento e acabam eliminando na maior
parte das vezes H2O ou CO2.
A calcinação serve para eliminar o CO2,
formando óxido metálico.
Exemplo: PbCO3(s)  PbO(s) + CO2(g)
Ustulação
Consiste em aquecer um mineral de sulfeto na
presença de gás oxigênio, convertendo o
metal a óxido. A ustulação é conhecida
também como "queima de sulfeto".
Exemplo: 2 ZnS(s) + 3 O2(g)  2 ZnO(s) + 2 SO2(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)
Refinamento
É um processo metalúrgico utilizado para
melhorar a pureza e definir uma melhor
composição do metal impuro e bruto.
Pirometalurgia do ferro
• Fonte: hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4)
• Produção
No forno, o carbono do coque reage com o oxigênio para
formar o monóxido de carbono
2 C(s) + O2(g)  2 CO(g) ΔH = -221 kJ
O vapor de água presente no ar 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. E, no mesmo local, os óxidos de ferro são reduzidos
pelo 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
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)
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.
Exemplo:
Hidrometalurgia do alumínio
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 ;
- Óxidos de ferro (III) não se dissolvem na solução fortemente básica;
- A solução de aluminato pode ser filtrada para separar as impurezas;
- 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)
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.
Eletrometalugia do alumínio
A passagem da
corrente elétrica do
ânodo para o cátodo
reduz a alumina em
alumínio e oxigênio. O
oxigênio reage com o
carbono do ânodo
(elétrodo positivo) e o
metal se deposita no
cátodo (elétrodo
negativo) sob a forma
líquida.
Ligação Metálica
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);
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;
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).
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;
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).
Propriedades físicas dos 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).
Ligas
• Mais de um elemento com propriedades
características dos metais;
• Usado para fins comerciais (exemplo ouro);
• Ligas de solução: misturas homogêneas,
componentes dispersos de forma aleatória e
uniforme;
a) liga substitucional;
b) liga intersticial;
• Ligas heterogêneas: não estão dispersas
uniformemente;
• Compostos intermetálicos: ligas homogêneas
que têm propriedades e composições
definidas.(exemplo Ni3Al);
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).
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;
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.
Magnetismo
• O ‘spin’ do elétron fornece a ele um momento
magnético;
• Três tipos de comportamento magnético:
 Situação inicial:
a) Diamagnético: sem átomos ou íons com
momento magnético;
b) Paramagnético: momentos magnéticos não
alinhados;
c) Ferromagnético: elétrons de átomos ou íons
influenciados pelas orientações dos elétrons dos
seus vizinhos.
 Na presença do campo elétrico:
a) Diamagnético: movimento dos elétrons
provocam uma pequena repulsão em relação
ao campo elétrico;
b) Paramagnético: momentos magnéticos
tornam-se alinhados paralelamente,
provocando uma atração em relação ao
campo elétrico;
c) Ferromagnético: tendem a se alinhar fortemente
em relação ao campo elétrico
(chega a ser um
milhão de vezes mais forte do que no
comportamento paramagnético).
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+;
• Ferro (Fe)
- Em solução aquosa existem os estados de oxidação
(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
+2
Referências bibliográficas
• QUÍMICA – A ciência central – 9ª edição
Brown – Lemay – Bursten
• www.wikipedia.com