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Universidade Federal de ItajubáQuímica Geral Qui102

Metais e Metalurgia

Metais e Metalurgia

Paulo Roberto Ponzoni de Abreu - 15779Sidney Augusto de Castro - 15784

Universidade Federal de Itajubá

Química Geral Qui102Metais e Metalurgia

Ocorrência e distribuição dos metais Pirometalúrgia Hidrometalúrgia Electrometalúrgia Ligação metálica Ligas Metais de transição Química de alguns metais de transição

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Ocorrência e distribuição dos metais • Minerais: a maioria dos elementos metálicos

encontrados na natureza em composto inorgânicos sólidos.

• Minério: depósito que contêm metal suficiente para ser extraído economicamente.

• Depósitos de metais concentrados são encontrados abaixo da superfície terrestre.

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Malaquita

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Metalurgia • É a ciência e a tecnologia de extração de metais a

partir de sua fontes naturais e de sua preparação para uso prático.Existem cincos etapas importantes:

Mineração (remoção de minérios do solo) Concentração (preparação para tratamento futuro) Redução (obtenção do metal livre no estado de oxidação

zero) Refino (obtenção do metal puro) Mistura com outros metais ( para formar uma liga)

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A Mineração Taboca - Mina de Pitinga, empresa do Grupo Paranapanema, situa-se na reserva indígena Waimiri Atroiari, no município de Presidente Figueiredo, a cerca de 330 km de Manaus - AM. Os depósitos minerais são compostos principalmente de cassiterita, columbita, tantalita, zirconita, xenotima e criolita.

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Pirometalurgia • É a uso de altas temperaturas

para obtenção de metais livres• Um grande números de

processos metalúrgicos usam o calor para alterar ou reduzir os minerais.

2 Cu2S + 3 O2 → 2 Cu2O + 2 SO22 Cu2O + Cu2S → 6 Cu + SO2

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Química Geral Qui102Metais e

Metalurgia Diversas Etapas são empregadas:

•Calcinação é o aquecimento do minério para provocar a decomposição e a eliminação de um produto volátil

•A maioria dos carbonatos decompõe-se de maneira razoavelmente fácil em temperaturas na faixa de 400 a 500 ° C

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Química Geral Qui102Metais e

Metalurgia • A ustulação é um tratamento térmico que

provoca reações químicas entre o minério e a atmosfera dos fornos.

• A ustulação pode a oxidação ou a redução e pode ser acompanhada pela calcinação.

• Um importante processo é a oxidação dos minerais sulfeto, nos quais o metal é convertido em óxido.

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O método de redução não é sempre possível especialmente com metais ativos , que são difíceis de reduzir.

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• Fusão de minérios é um processo de derretimento que faz com que os materiais se separem em duas ou mais camadas.

• A escória consiste principalmente em silicatos derretidos junto com aluminatos , fosfatos, fluoretos e outros materiais inorgânicos

• O refino é o processo durante o qual um metal bruto impuro é convertido em um metal

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Hematita

Magnetita

Pirometalurgia do ferro•O ferro esta presente na maioria dos minerais diferentes.OS importantes são a magnetita (Fe3O4) e hematita (Fe2O3 )

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•A redução do ferro é feita em alto-forno

•A minério , o calcário e o coque são adicionados ao topo do alto-forno

•Coque é o carvão que foi aquecido para expelir os componentes voláteis

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• Para a produção de 1 kg de ferro gusa necessita de aproximadamente 2 kg de minério , 1 kg de coque , 0,3 kg de calcário e 1,5 kg de ar.

• O coque reage com o oxigênio para formar o CO ( o agente redutor)

• O CO é tambem produzido pela reação do vapor d’agua no ar com C:

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• Em torno de 250°C, o calcário é calcinado (aquecido para decomposição e eliminação dos voláteis).

• Os óxidos de ferro são reduzidos pelo CO:

• O ferro fundido é produzido bem abaixo no alto-forno removido no fundo.

• A escória (materiais de silicato fundido) é removida acima do ferro derretido.

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•Se o ferro vai ser transformado em aço, ele é derramado diretamente em uma fornalha básica de ferro

•O ferro fundido é convertido em aço, uma liga de ferro.

•Para remover as impurezas , o 02 é soprado através da mistura derretida. Assim o oxigênio oxida as impurezas

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Hidrometalurgia

•As operações pirometalúrgicas necessitam de grandes quantidades de energia e, geralmente , são uma fonte de poluição atmosférica, sobretudo pelo dióxido de enxofre.

•Para alguns metais, outras técnicas tem sido desenvolvida nas quais o metal é extraído de seus minérios por meio de reações aquosas.

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O processo hidrometalúrgico mais importante é a lixiviação, na qual o composto desejado contendo o

metal é dissolvido seletivamente.Hidrometalúrgia do Alumínio

• O alumínio é o segundo metal mais útil.• A bauxita é um mineral que contém Al como Al2O3.xH2O.

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O processo de BayerO minério triturado é dissolvido em NaOH 30% ( em massa) a 150 – 230°C e alta pressão ( 30 atm para impedir a ebulição)Al2O3 dissolve

A solução de aluminato é separada através da redução do pHA solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o metal

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Eletrometalúrgia• Muitos processos usados para reduzir

minerais metálicos ou metais refinados são baseados na eletrólise.

• Os procedimentos eletrometalúrgicos podem ser muito diferenciados de acordo com o fato de se envolver eletrólise de sal fundido ou de solução aquosa.

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O sódio é produzido por eletrólise do NaCl fundido em uma célula de Downs

O CaCl2 é usado para reduzir o ponto de fusão do NaCl de 804°C para 600°C

Na(l) e Cl2(g) produzido na eletrólise são mantidos de forma a não entrar em contato e formar novamente NaCl

Na não pode entrar em contato com o oxigênio porque o metal oxidaria rapidamente sob condições de alta temperatura.

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Eletrometalúrgia do Alumínio

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Eletrometalúrgia do Cobre

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• As impurezas do anodo de cobre incluem chumbo, zinco, níquel, arsênio, selênio, telúrio e vários outros metais preciosos, inclusive ouro e prata.

• As impurezas metálicas mais ativas que o cobre são oxidadas rapidamente no anodo, mas não se incrustam no catodo porque seus potenciais de redução são mais negativos que o potencial para Cu2+.Entretanto, metais menos ativos não são oxidados no anodo.

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Propriedades físicas dos metais• A superfície limpa tem um lustre característico.• Quando tocados, transmitem uma sensação

fria característica, relacionada a alta condutividade térmica deles.

• Altas condutividades elétricas.• São maleáveis.

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Modelo de mar de elétrons para a ligação metálica• Os elétrons estão uniformemente distribuídos pela

estrutura.• São móveis.• Nenhum elétron é localizado entre dois átomos de metal.• Assim, os elétrons podem fluir livremente através do metal.• Sem quaisquer ligações definidas, os metais são fáceis de

deformar (e são maleáveis e dúcteis).• A alta condutividade térmica é explicada pela mobilidade

dos elétrons, o que permite a transferência da energia cinética.

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• À medida que o número de elétrons aumenta, a força da ligação deveria aumentar e o ponto de fusão deveria aumentar.

• Porém, os pontos de ebulição mais altos são os do grupo 6B.

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Modelo do orbital molecular para os metais• A ligação deslocalizada requer que os orbitais atômicos em

um átomo interajam com orbitais atômicos em átomos vizinhos.

• Exemplo: os elétrons da grafita estão deslocalizados sobre um plano inteiro, as moléculas de benzeno têm elétrons deslocalizados sobre um anel.

• O número de orbitais moleculares é igual ao número de orbitais atômicos.

• Nos metais há um número muito grande de orbitais.

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• À medida que o número de orbitais aumenta, seu espaçamento de energia diminui e eles se ligam.

• O número de elétrons não preenche completamente a banda de orbitais.

• Conseqüentemente, os elétrons podem ser promovidos para bandas de energia desocupadas.

• Sob a influencia de qualquer fonte de excitação, os elétrons movimentam-se para dentro dos níveis anteriormente vagos e podem se mover livremente pela rede.

• Isso da origem a condutividade térmica e elétrica.

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Ligas• Possui mais de um elemento com características de metais.• Modifica as propriedades de elementos puros.• Usa-se uma liga de ouro e cobre para a confecção de jóias, já que o

ouro puro é relativamente macio.• As ligas podem ser classificadas como ligas de solução ou ligas

heterogêneas.

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Ligas de Solução • As ligas podem ser classificadas como ligas de

solução ou ligas heterogêneas.• São misturas homogêneas com componentes

dispersos aleatória e uniformemente. • Liga substitucional: átomos do soluto substitui • átomos do solvente. Raios atômicos similares. • (diferenças de ate 15%)

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• Liga intersticial: átomos do soluto ocupam áreas intersticiais. Raio do componente presente nas posições intersticiais deve ser muito menor. Liga mais forte, mais dura e menos dúctil.

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Ligas Heterogêneas• Os componentes não estão dispersos

uniformemente. • As propriedades dependem não só da composição,

mas também da maneira pela qual o sólido é formado a partir da mistura fundida.

• Resfriamento rápido ou lento.

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Metais de transição• Ocupam o bloco d da tabela periódica.• Envolvem elementos importantes como cromo,

ferro, níquel e cobre.

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• A energia de ionização e o raio atômico são características dos átomos isolados. Variam de formas similares.

• 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 as distancias de ligação aumentem.

• Densidade e o ponto de fusão são características do sólido metálico como um todo.

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• Configurações eletrônicas e estados de oxidação• Os metais de transição perdem os elétrons s antes dos

elétrons d.• Exemplo: Fe: [Ar]3d64s2, Fe2+: [Ar]3d6.• Os elétrons d são responsáveis por algumas propriedades

importantes:– os metais de transição têm mais de um estado de oxidação, – os compostos de metais de transição são coloridos (devido às transições eletrônicas),– os compostos de metais de transição têm propriedades magnéticas.

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• Todos os estados de oxidação para os metais são positivos.

• A perda de ambos eletrons s gera o estado de oxidacao +2, sendo este muito comum.(Exceção: o estado de oxidação +3 é isoeletrônico com o Ar.)

• O Mn possui o estado de oxidacao comum maximo, +7.

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Magnetismo• As propriedades magnéticas fornecem informações

sobre a ligação química.• O spin do elétron faz com que ele se comporte como

um imã.• Quando dois spins são contrários os campos

magnéticos se cancelam (diamagnético).• Quando os spins estão desemparelhados, os campos

magnéticos não se cancelam (paramagnético).

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• Diamagnético (nenhum átomo ou íon com momentos magnéticos).

• Paramagnético (momentos magnéticos não alinhados fora de um campo magnético).

• Ferromagnético (centros magnéticos acoplados alinhados em um sentido comum).

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Cromo• Na ausência de ar, o Cr reage com ácido para formar uma

solução azul de Cr2+ :Cr(s) + 2H+(aq) → Cr2+(aq) + H2(g)• Na presença de ar, o Cr2+ oxida-se facilmente a Cr3+:4Cr2+(aq) + O2(g) + 4H+(aq) → 4Cr3+(aq) + 2H2O(l)• Na presença de Cl-, o Cr3+ forma o íon verde Cr(H2O)4Cl2+.• Em solução aquosa, o Cr normalmente está presente no

estado de oxidação +6.

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Ferro• Em solução aquosa, o ferro está presente nos estados de oxidação

+2 (ferroso) ou +3 (férrico).• O ferro reage com agentes não-oxidantes para formar Fe2+(aq).• Na presença de ar, o Fe2+ é oxidado a Fe3+.• Como com a maior parte dos íons metálicos, o ferro forma íons

complexos, Fe(H2O)6 + á n+ em água.• Em solução ácida, o Fe(H2O)6

3+ é estável, mas em base o Fe(OH)3 precipita-se.

• Se NaOH é adicionado a uma solução de Fe3+(aq), forma-se um precipitado amarronzado de Fe(OH)3.

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Cobre• Em solução aquosa, o cobre tem dois estados de

oxidação• dominantes: +1 (cuproso) e +2 (cúprico).• O Cu+ tem uma configuração eletrônica 3d 10.• Os sais de Cu(I) tendem a ser brancos e insolúveis em

água.• O Cu(I) desproporciona-se:• 2Cu+(aq) → Cu2+(aq) + Cu(s)

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• O Cu(II) é o estado de oxidação mais comum.• O vitríolo azul é CuSO4.5H2O.• Em solução aquosa, quatro moléculas de água estão

coordenadas ao Cu e uma está ligada através de ligação de hidrogênio ao sulfato.

• Dentre os sais de cobre(II) solúveis em água, incluem-se• Cu(NO3)2, CuSO4 e CuCl2.• Entretanto, o Cu(OH)2 é insolúvel e pode ser precipitado

pela, adição de NaOH a uma solução contendo íons de Cu2+.


Metais e Metalurgia

Referências BiBliográficas• Química: A Ciência Central, 9ª ed.. Brown, LeMay,

Bursten • http://pt.wikipedia.org • http://images.google.com.br• http://hsw.uol.com.br/

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