metais e metalurgia capítulo 23 fernando seidi sakashita nº:14445 caio kenji hirose nº: 14429
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Metais e metalurgia Capítulo 23
Fernando Seidi Sakashita nº:14445
Caio Kenji Hirose nº: 14429
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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.
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Distribuição
• Partes do nosso planeta• A maioria dos metais úteis não é encontrada em abundância na litosfera, a qual é de fácil acesso.
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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.
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Fontes de alguns metais
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Metalurgia 1875
• designa um conjunto de procedimentos e técnicas para extração, fabricação, fundição e tratamento dos metais e suas ligas.
Metalurgia
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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
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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)
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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)
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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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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
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Formação do açoO 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.
Exemplo: Hidrometalurgia do alumínio
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Hidrometalurgia do alumínioFonte: 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)
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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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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.
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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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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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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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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 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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Ligas• Mais de um elemento com propriedades
características dos metais;• Usado para fins comerciais (exemplo ouro);
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• 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);
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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).
38% - Titânio
37% - Níquel 12% - Cromo 06% - Cobalto 05% - Alumínio 01% - Nióbio
0,02% - Tântalo
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• 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 (n-1)d;- exceção: Sc, íon +3 tem configuração particularmente estável.
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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.
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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).
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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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Referências bibliográficas
• QUÍMICA – A ciência central – 9ª edição Brown – Lemay – Bursten
• www.wikipedia.com