Capítulo 23: Metais e Metalurgia
Iuri Tiago Martins Angelo 17084 EEL
Lucas Lugatto Emerencio 17096 EEL
Professor: Dr. Élcio Rogério Barrak
UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá
Introdução
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
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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).
Terra
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Minerais
•
•
Metal
Mineral
Composição
Alumínio
Bauxita
Al₂O₃
Ferro
Hematita
Fe₂O₃
Cobre
Calcopirita
CuFeS₂
Titânio
Rutilo
TiO₂
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;
Calcopirita
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Rutilo
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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.
Região de exploração de
minério de ferro da Vale no
Pará
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Etapas da Metalurgia
Mineração
Concentração
do minério
Redução
do
minério
Processo de extração do minerais.
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.
Refinamento
Retirada das impurezas presentes em um metal bruto a
partir desse processo metalúrgico.
Mistura do
metal com
outros
elementos
Processo para modificar as propriedades do metal o que
acaba produzindo uma liga, material metálico composto
de 2 ou mais elementos.
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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
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Operações da Pirometalurgia
Calcinação: 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:
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.
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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.
Alto-Forno
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Pirometalurgia do Ferro
Reações:
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Pirometalurgia do Ferro
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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;
Conversor de Refinamento de Ferro
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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.
Bauxita
Pepita de Ouro
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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.
Charles M. Hall (1863-1914)
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Eletrometalurgia do Sódio
Célula de Downs
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Eletrometalurgia do Alumínio
Célula de eletrolise do processo de Hall
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Eletrorefinamento do Cobre
Célula eletrolítica para refinamento do cobre
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Ligação Metálica
Propriedades 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.
Modelo mar de elétrons
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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;
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Liga de Ferro
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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.
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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.
Folha de ouro e fio de cobre, respectivamente
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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
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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;
(a) Diamagnético
Imã Permanente
(b) Paramagnético (c) Ferromagnético
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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 (CrO42-) e o íon dicromato (Cr2O72-);
Da esquerda para direita:
Íon hidratado [Cr(H2O6)]3+ ,
[(H2O)4Cr(OH)2Cr(H2O)4]4+,
K2Cr2O7, Na2CrO4.
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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 marromavermelhado gelatinoso se forma
(figura II).
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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 pentahidratado 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).
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Referências Bibliográficas
Livro:
Química: a ciência central. Brown, Theodore L., 9ª edição. Editora: Pearson.
Capítulo consultado: 23.
Sites:
http://www.youtube.com/watch?v=UtMy4ZY3jgc
http://www.elcio.unifei.edu.br
http://www.prenhall.com/brown_br
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