Upload
abel-franco
View
74
Download
11
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Capítulo 23: Metais e Metalurgia. Iuri Tiago Martins Angelo 17084 EEL Lucas Lugatto Emerencio 17096 EEL Professor: Dr. Élcio Rogério Barrak. Introdução. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Capítulo 23: Metais e MetalurgiaIuri Tiago Martins Angelo 17084 EELLucas Lugatto Emerencio 17096 EEL
Professor: Dr. Élcio Rogério Barrak
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá
Introdução
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 02/27
Os metais têm tido um papel importante no desenvolvimento da civilização, sendo utilizados na fabricação de máquinas, ferramentas e outros itens.
Neste seminário serão discutidos:
As formas químicas nas quais os elementos metálicos ocorrem na natureza;Os meios pelos quais obtemos os metais a partir dessas fontes;A ligação nos sólidos;Como metais e suas misturas são empregados na tecnologia moderna;Propriedades dos metais de transição. Fábrica Volkswagen
Ocorrência e Distribuição dos Metais• A litosfera fornece a maioria dos materiais que usamos;• Temos acesso limitado a apenas uma pequena região da superfície do
planeta;• A distribuição dos metais geralmente ocorre em depósitos concentrados
(jazidas);• Minérios: depósitos que contêm metais em quantidades
economicamente exploráveis ;• Normalmente os compostos ou elementos que desejamos devem ser
separados de materiais não desejados (refinamento).
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 03/27
Terra
Minerais
• A maioria dos elementos metálicos é encontrada na natureza em compostos inorgânicos sólidos chamados minerais;
• As fontes mais importantes de metais são os óxidos, sulfetos e carbonatos minerais;
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 04/27
Metal Mineral ComposiçãoAlumínio Bauxita Al₂O₃
Ferro Hematita Fe₂O₃
Cobre Calcopirita CuFeS₂
Titânio Rutilo TiO₂
Calcopirita Rutilo
Metalurgia• É a ciência e a tecnologia de extração de metais a partir de suas fontes
naturais e preparação delas para uso;• Existem vários tipos de processos metalúrgicas sendo que cada um é
específico para cada tipo de mineral.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 05/27
Região de exploração de minério de ferro da Vale no Pará
Etapas da MetalurgiaProcesso de extração do minerais.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 06/27
Mineração
Concentração do minério
Redução do
minério
Refinamento
Mistura do metal com
outros elementos
O estágio de concentração baseia-se nas diferenças das propriedades do mineral e no material não desejado que o acompanha, chamado ganga.
Etapa que consiste na obtenção do metal livre.
Retirada das impurezas presentes em um metal bruto a partir desse processo metalúrgico.
Processo para modificar as propriedades do metal o que acaba produzindo uma liga, material metálico composto de 2 ou mais elementos.
Pirometalurgia• Processo metalúrgico que consiste na utilização de altas temperaturas para
alterar o mineral quimicamente, reduzindo-o ao metal livre;• A pirometalurgia é dividida em 3 operações: calcinação, ustulação e fusão;• As operações pirometalúrgicas podem envolver não apenas a concentração e
redução de um mineral, mas também o refinamento do metal.
ICAL - Indústria de Calcinação
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 07/27
Operações da PirometalurgiaCalcinação: É o aquecimento de um minério para realizar sua
decomposição e a eliminação de um produto volátil, como CO₂ ou H₂O, presentes em um minério. Os carbonatos geralmente são calcinados para eliminar o CO₂ e formar óxido metálico. Por exemplo:
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 08/27
Ustulação: É um tratamento térmico que provoca reações químicas entre os minérios e a atmosfera dos fornos. Um importante processo é a oxidação dos sulfetos minerais, nos quais o metal é convertido a óxido. Por Exemplo:
Fusão: é o processo em que os materiais formados durante as reações químicas são separados em duas ou mais camadas.
O metal fundido pode consistir quase inteiramente de um só metal ou pode ser uma solução de dois ou mais metais.
Pirometalurgia do Ferro• A mais importante operação pirometalúrgica é a
redução do ferro, pois está presente em muitos materiais diferentes;
• As fontes mais utilizadas de ferro são os minerais de magnetita (Fe₃O₄) e hematita (Fe₂O₃);
• A redução dos óxidos de ferro pode ser realizada em um alto-forno, que é basicamente um reator químico;
• Um dos produtos da pirometalurgia é a escória, que consiste principalmente em minerais de silicato fundido com aluminatos, fosfatos e outros compostos iônicos;
• O outro produto é o próprio metal, que no caso é o ferro sólido que poderá ser utilizado na formação do aço.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 09/27Alto-Forno
Formação do Aço• O aço é uma liga de ferro;• A produção de ferro a partir de
seu minério é um processo de redução química que resulta em um ferro bruto contendo muitas impurezas indesejáveis;
• Na produção do aço, essas impurezas são removidas através da oxidação em um recipiente chamado conversor;
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 12/27
Conversor de Refinamento de Ferro
Hidrometalurgia• O metal é extraído do minério
através de reações aquosas.• A lixiviação é o processo
hidrometalúrgico mais importante. É utilizado para extrair um metal, por exemplo o ouro, do seu minério.
• Outro método, que é bastante utilizado para extração do alumínio da bauxita, é o processo de Bayer.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 13/27
Bauxita
Pepita de Ouro
Eletrometalurgia• Processo utilizado para reduzir
minerais metálicos ou metais refinados, que é baseado na eletrólise.
• Importante para obtenção de metais mais ativos como sódio, magnésio e alumínio;
• Os metais obtidos a partir da eletrometalurgia não podem ser obtidos a partir de soluções aquosas pois a água se reduz mais facilmente que os íons metálicos;
• Para obter tais metais pela eletroquímica, usa-se como meio uma solução adequada que depende do metal que se deseja.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 14/27
Charles M. Hall (1863-1914)
Eletrometalurgia do Alumínio
Célula de eletrolise do processo de Hall
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 16/27
Eletrorefinamento do Cobre
Célula eletrolítica para refinamento do cobre
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 17/27
Ligação MetálicaPropriedades físicas dos metais:
• Alta condutividade térmica• Alta condutividade elétrica• Lustre característico• Maleabilidade.1) Modelo de mar de elétrons:• O metal é visualizado como uma
rede de cátions em um mar de elétrons de valência.
• Os elétrons são móveis e não estão confinados a qualquer íon metálico.
2) Modelo de orbital molecular para os metais:
• Modelo no qual os orbitais atômicos de valência em um átomo metálico superpõe-se com os dos vários vizinhos mais próximos, que por sua vez superpõem-se com orbitais atômicos em outros átomos.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 18/27
Modelo mar de elétrons
Ligas• Material que contém mais de um
elemento e tem as propriedades características dos metais;
• Uma forma de modificar as propriedades dos elementos metálicos puros;
Classificação:• Ligas de solução;• Liga heterogênea;• Compostos intermetálicos;
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 19/27
Liga de Ferro
Metais de Transição• Alguns dos metais mais importantes da sociedade moderna;• São utilizados na tecnologia moderna como, por exemplo, em motores a
jato de alto desempenho.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 20/27
Metais de Transição: Propriedades Físicas
• A energia de ionização e o raio atômico são características dos átomos isolados. Variam de modo similar.
• 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 que as distâncias de ligação aumentem.
• Densidade e ponto de fusão são características do sólido metálico como um todo.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 21/27
Folha de ouro e fio de cobre, respectivamente
Metais de Transição: Configurações Eletrônicas e Estados de Oxidação
• Os metais de transição devem suas posições na tabela periódica ao preenchimento do subnível d;
• Mas ao serem oxidados perdem elétrons do subnível s antes de perder os do subnível d;
• A existência de elétrons no subnível d é parcialmente responsável por várias características dos metais de transição, como:
1. Exibição de mais de um estado de oxidação;
2. Cor;3. Propriedades magnéticas.
Estados de oxidação da primeira série de transição
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 22/27
Metais de Transição: Magnetismo• As medidas das propriedades
magnéticas fornecem informações sobre a ligação química;
• As propriedades magnéticas são muito importantes para tecnologia moderna;
• Devido ao “spin”, o elétron se comporta como um imã minúsculo;
• Tipos de substâncias: Diamagnéticas; Paramagnéticas; Ferromagnéticas;
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 23/27
(a) Diamagnético (b) Paramagnético (c) Ferromagnético
Imã Permanente
Química de alguns Metais de Transição: Cromo
• O cromo dissolve-se lentamente no ácido clorídrico ou sulfúrico;
• Na presença do ar, o Cr2+ é rapidamente oxidado por O2;
• O cromo é frequentemente encontrado em soluções aquosas no estado de oxidação +6;
• Os íons mais estáveis em solução básica e ácida são, respectivamente, o íon cromato amarelo (CrO4
2-) e o íon dicromato (Cr2O72-);
Da esquerda para direita:Íon hidratado [Cr(H2O6)]3+ , [(H2O)4Cr(OH)2Cr(H2O)4]4+, K2Cr2O7, Na2CrO4.
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 24/27
Química de alguns Metais de Transição: Ferro
• Estados de oxidação do ferro em solução aquosa: +2 (ferroso) e +3 (férrico);
• O Fe2+ dissolvido, com Ca2+ e Mg2+, contribui para dureza da água;
• Na presença de ar o Fe2+(aq)
tende a ser oxidado a Fe3+
(aq), que pode ser visto como manchas marrons no gotejamento de torneiras, por exemplo (figura I).
• No estado de oxidação +3, o ferro é solúvel em soluções ácidas. Quando uma solução ácida de ferro (III) torna-se mais básica, um precipitado marrom-avermelhado gelatinoso se forma (figura II).
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 25/27
I II
Química de alguns Metais de Transição: Cobre
• Exibe dois estados de oxidação: +1 (cuproso) e +2 (cúprico);
• No estado de oxidação +1 ele possui configuração eletrônica 3d10, possui cor branca e geralmente são insolúveis em água;
• Por causa dessa reação e porque o cobre (I) é facilmente oxidado para cobre (II), o estado de oxidação +2 é o mais comum;
• Muitos sais de cobre (II) são solúveis em água;• O sulfato de cobre penta-hidratado é um sal
bastante usado em experiências (figura I);
• As soluções aquosas nas quais o íon cobre (II) esta coordenado por moléculas de água são geralmente azuis;
• CuS é um dos compostos de cobre (II) menos solúveis;
• O Cu(OH) é um dos compostos insolúveis de cobre (II) (figura II).
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 26/27
III
Referências Bibliográficas
Livro:Química: a ciência central. Brown, Theodore L., 9ª edição. Editora: Pearson.
Capítulo consultado: 23.
Sites:http://www.youtube.com/watch?v=UtMy4ZY3jgchttp://www.elcio.unifei.edu.brhttp://www.prenhall.com/brown_br
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá 27/27