Metais: propriedades, obtenções e usos Marilena Meira
Metais • São sólidos na temperatura ambiente. • O mercúrio é o único metal líquido. • Apresentam propriedades físicas car caracte acterr stica ticas. s.
Distribuição dos Metais na Crosta Terrestre
Alumínio Cálcio Magnésio Sódio Potássio Outros
Fonte: Esperidião, Ivone, Os Metais e o Homem
Propriedades gerais • São bons condutores de calor e eletricidade. • Apresentam brilho metálico característico: • • • •
brilhantes, lustrosos e refletores. Apresentam proprie a es ac sticas características. São maleáveis e dúcteis. Forma facilmente ligas. Estruturas cristalinas
Condutividade elétrica • É a maior ou menor resistência que os materias oferecem à passagem de corrente elétrica. • Os metais são bons condutores de corrente elétrica. • A condutividade decresce com o aumento da temperatura. • A condutividade aumenta com a diminuição da temperatura
Condutividade elétrica • A condução elétrica é devida à liberdade de movimento dos elétrons. • Metais possuem menos de 3 elétrons na . • Metais possuem orbitais vagos.
Condução de calor • De uma maneira geral, todos os metais são bons condutores de calor. • Ordem decrescente :
Propriedades acústicas acústicas • A facilidade de propagação do som em um meio depende de sua densidade. • A densidade dos metais explica o som ondas acústicas por ondulação ou percussão (choque). • Não são, portanto, bons isoladores de sons acústicos.
Brilho • De uma maneira geral todos os metais são susceptíveis de receber polimento tornando-se brilhante, refletindo a luz e a . • O brilho pode ser alterado pela ação de agentes atmosféricos, ação química ou térmica que fazem o metal perder o brilho.
Brilho • Metais são usados como espelhos porque refletem a luz incidente sob qualquer ângulo. • Isto se deve aos elétrons livres dos metais que re-emitem ao retornarem ao seu nível energético. • Como toda luz incidente é re-emitida imediatamente causa o brilho.
Cor • Se o metal refletir todas as cores do arco-íris, sua coloração será prateada (a maioria). • Caso contrário, refletirá a cor que ele não cobre que é avermelhado. • A cor de alguns metais menos nobres se alteram devido a ação de agentes atmosféricos pois sofrem oxidação superficial.
Densidade • As densidades relativas dos metais usuais em ordem crescente são: Al< SSb< b
Maleabilidade • É a propriedade que os metais possuem de se deixarem forjar a chapas ou lâminas na temperatura temperatura ambiente ou ou próximas a estas estas .
Ductibilidade • Propriedade dos metais se deixarem moldar em fios sem partir. Ordem crescen crescente te de de ductibilid ductibilidade ade dos metais metais • Ordem Au. • Pb< Sn< Zn < Cu < Ni < Fe < Pt < Ag < Au
Ligação metálica • Muitas das propriedades
dos metais podem ser explicadas pela Teoria dos elétrons livres de Lorentz (1923).
metais eram formados por um retículo de esferas rígidas (íons positivos) imerso em um “gás” de elétrons de valência que podiam mover-se através dos inter intertíci tícios os do retícu retículo. lo.
Metalurgia
Metal no Minério car a +
Metalurgia
Metal como substância Simples (carga nula)
seqüência de processo processoss que visa à obten obtenção ção Metalurgia - É a seqüência de um elemento metálico a partir de seu minério.
Metais alcalinos Gru o 1 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
Ocorrência dos metais alcalinos • Os metais do grupo 1 são reativos demais para • • • • • •
serem encontrados livres na natureza. Espodumênio: Espodumênio: LiAl(SiO3)2 Silvit Silvitaa (K (KCl e NaCl NaCl)) gua o mar Na SalSal-ge gema ma (NaC (NaCl) l) Silvita Silvita (KCl), (KCl), Silvinita Silvinita (KCl, (KCl, NaCl), Carnal Carnalit itaa (KCl (KCl.Mg .MgCl Cl2.6H2O) Rb e Cs Cs são são obtid obtidos os com como o subp subprd rdut utos os do processamento do Li.
Metais Metais alcalinos (Grupo 1) • Podem ser obtidos por eletrólise ígnea dos sais correspondentes. • Geralmente se usa uma impureza para .
Obtenção de Sódio • Na eletrólise ígnea a substância pura está no • • • •
estado líquido (fundida) e não existe água no sistema. Seja por exemplo a eletrólise ígnea do NaCl reação de oxidação: 2Cl- Cl20 + 2e No eletrodo negativo (cátodo) ocorre a semireação de redução: Na+ + 1e Na0
Obtenção Obtenção de sódio • Como o número de elétrons perdidos tem que ser o mesmo número de elétrons recebidos, recebidos, multiplica-se a última semi-reação por 2:
• 2Cl- Cl20 + 2e • Somando-se as duas semi-reações tem-se a reação global: • 2Na+ + 2Cl-
2Na + Cl2
Outros metais alcalinos • Pode-se obter outros metais alcalinos do mesmo modo por eletrólise eletrólise ígnea. • Os metais alcalinos menos reativos que o deslocamento: • Na + KCl NaCl + K
Usos • O lítio é usado em aplicações nucleares pois
quando quando bombard bombardeado eado com com neutro neutrons ns produz produz tritio. • O lítio é utilizado como ânodo em baterias. como refrigerante em reator nuclear. • O potássio usa-se para fabricar fabricar o superóx superóxido ido KO2 empregado em aparelhos de respiração e submarinos removendo CO2 e liberando O2. • KO2 + 2CO2 2K2CO3 + O2
Propriedades químicas dos metais alcalinos • Reagem com água, libertando hidrogênio e formando os correspondentes hidróxidos: • Li + H2O 2LiOH + H2 • Na + H2O 2NaOH + H2 • + 2 + 2
• Reagem com ácidos formando sais e liberando H2 • M + HCl MCl + H2 • Reagem com o oxigênio do ar formando óxidos perdendo rapidamente o brilho quando exposto.
Propriedades químicas dos metais alcalinos • • • • •
Reagem com hidrogênio formando hidretos: M + H2 2MH Apenas o lítio reage com nitrogênio formando nitreto. Li + N2 Li3N Reagem com fósforo, arsênio e antimônio formando respectivament respectivamentee fosf fosfetos, etos, arsenetos arsenetos e antimonetos: • M + P M3P • M + As M3As • M + Sb M3Sb
Propriedades químicas dos metais alcalinos • Reagem com enxofre, selênio e telúrio formando respectivamente sulfetos, selenetos e teluretos: • M + S M2S • M + Se M2Se
• • Reagem com fluor, cloro, bromo e iodo formando os • • • •
respectivos fluoretos, cloretos, brometos e iodetos. 2M + F2 2MF 2M + Cl2 2MCl 2M + Br2 2MBr 2M + I2 2MI
Metais alcalinos terrosos Gru o 2 Be, Mg, Mg, Ca, Sr, Sr, Ba, Ra
Metais Metais alcalinos terrosos (Grupo 2) • Não são encontrados puros na natureza devido à reatividade. • Podem ser obtidos por eletrólise ígnea dos . • Geralmente se usa uma impureza (NaCl) para diminuir o ponto de fusão.
Obtenção Obtenção do magnésio • Proce Processo sso Dow da água água do mar: mar: • A água do mar contém cerca de 0,13% de íons • • • •
Mg+2 A adi adi ão de cal hid hidratada ada à á ua do mar mar rovoca oca a precipitação Mg(OH)2 que é menos solúvel. Ca(OH)2 + Mg(Cl)2 Mg(OH)2 + CaCl2 O precipit precipitado ado é trat tratado ado com HCl HCl para para formar formar MgCl2 que é eletrolisado. Mg(OH)2 + HCl MgCl2 + H2O
Eletrólise Eletrólise ígnea do MgCl2 • No eletrodo positivo (ânodo) ocorre a semi• • • •
reação de oxidação: 2Cl- Cl20 + 2e No e etro o negativo c to o ocorre a semireação de redução: Mg+2 + 2e Mg0 Reação global: MgCl2 Mg + Cl2
Outros metais alcalinos terrosos • São produzidos também por eletrólise ígnea de seus sais ou por redução de seus óxidos com alumínio. 2
Propriedades químicas dos metais alcalinos terrosos terrosos • Reagem com água, libertando hidrogênio e formando os correspondentes hidróxidos: M + H2O M(OH)2 + H2 •
• Reagem com ácidos formando sais e liberando hidrogênio: • M + HCl MCl2 + H2 • Queimam formando óxidos: • 2M + O2 2MO
Propriedades químicas dos metais alcalinos terrosos terrosos • Reagem com hidrogênio formando hidretos: • M + H2 MH2 • Todos os metais alcalinos reagem com nitrog nio e s oro em temperaturas elevadas: • M + N2 M3N2 • 3M + 2P M3P2
Propriedades químicas dos metais alcalinos terrosos terrosos • Reagem com enxofre, selênio e telúrio formando respectivamente sulfetos, selenetos e teluretos: • M + S MS • M + Se MSe
• • Reagem com fluor, cloro, bromo e iodo formando os • • • •
respectivos fluoretos, cloretos, brometos e iodetos. M + F2 MF2 M + Cl2 MCl2 M + Br2 MBr2 M + I2 MI2
Reações de metais com ácidos • Ácidos diluídos não oxidantes reagem com metais menos nobres que o hidrogênio libertando hidrogênio: 2
•
2
K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Cr, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au.
Metais menos nobres
Metais nobres
Reação de metais com sais • Reagem com metais formando outro sal e outro metal: • Cu + AgSO4
CuSO4
+ Ag
• • O metal que desloca deverá ser mais
eletro eletropositi positivo vo que o desloc deslocado ado • Fila de eletro eletropositi positividad vidadee decresce decrescent nte: e: •
K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Sn, Pb, H, Cu Cu,, Hg, Ag, Pt, Au.
Alumínio
Alumínio • • • •
O alumínio é o metal mais abundante. Tem grande grande importância econômica. Produzido em larga escala. O min minér ério io mais mais im ort ortant ante é a baux bauxit itaa formada principalmente por Al2O3. H2O junto com outros óxidos (Fe 2O3, SiO2, TiO2)
•
Baux Bauxit ita a - Al2O3.H2O - Teor de Al2O3 de 40 a 60 % Bauxita
Usos do alumínio • Metal Estrutural (Aviões, navios, • • • •
automóveis, trocadores de calor, calor, ... ... Indústria de construção (portas, janelas, . Recipientes diversos ( embalagens para bebidas) Utensílios de cozinha Compostos derivados do alumínio: Al(OH) 3, Al2(SO4)3, etc.
Produção de Alumínio • Extração da bauxita. • Obtenção da da Alumina ( Al2O3 ), a partir da purificação do minério. •
a t i x u a b a d ã ç a c i f i r u P
Bauxita impura
r e y a B e d o s s e c o P
Adição de NaOH Formação Formação do aluminat aluminatoo e silicato solúveis Filtração
solúveis Redução do pH com CO2
Precipitado de Al(OH)3 Calcinação
Al2O3 purificado
Silicatos solúveis
Eletrólise da Alumina Principal Processo: de Héroult & Ha Hall Matérias-primas
• • • •
Alumina (Al2O3) Crio Cr iolilita ta (N (Naa3AlF6 ) Grafite Outros: CaF2, AlF3 e Li2CO3
Eletrólise da Alumina
Eletrólise da Alumina Ânodo: Eletrodo de Grafite • 2 O-2 → O2 + 4e• C + O2 → CO2 Cátodo: Revestimento de Grafite • Al+3 + 3e- → Alo
Cuba de Redução do Alumínio Alumínio
Ferro
Ferro Quadrilátero Ferrífero Ferrífero • O Quadrilátero
Ocorrência
Ferro • Serra do Carajás
Ocorrência
Ocorrências • Minérios de Ferro – Magn Magnet etititaa ((Fe Fe3O4 - cont conten endo do 72,4 72,4 % Fe) Fe) – Hematita Fe O - contendo 69,9 % Fe – Limonita (2FeO3.3H2O 48,3 % Fe) – Siderita (FeCO3) – Pir Pirita ita (F (FeS2)
Hematita
Produção de ferro gusa
Companhia Siderúrgica Nacional
Matérias-Primas • Minérios de Fe Ferro Carvão Pela coqueificação, obtém-se o COQUE.
Calcário Possui a função de fundente, combinando-se com as impurezas, formando a escória.
Produção do ferro: alto-forno
• O Alto-forno
Lingote de ferro gusa gusa
Reações no alto-forno Fe2O3 + CO → CO2 + 2 FeO
CO2 + C → 2 CO
FeO + CO → CO2 + Fe
CO2 + C → 2 CO
C + O2 → CO2 Ar
Fabricação do aço
Método mais usado: Agente oxidante é o ar ou oxigênio • Pneumáticos - Agente
Ligas de Ferro Ferro-gusa Aço Ferro doce
Teor de Carbono 2a5% 0,5 a 1,7 % < 0,5 %
• Conversor a oxigênio
• Aço Aço Tem Tempe pera rado do
Em altas temperaturas, temperaturas, o ferro e o carbono se combinam para formar a ceme cemen ntit tita (Fe (Fe3C). • Quando resfriada lentamente, se decompõe • Quando resfriada rapidamente, a cementita não se decompõe, originando um material mais duro e resistente.
Processo: Têmpera
Usos do ferro • • • •
Maior aplicação é na forma de LIGA Metal estrutural Ferramentas Ferramentas e implementos implementos Pontes, caldeiras, tubulações, etc.
Grupo do Cobre Cu A e Au
Minérios de cobre cobre • Reservas de cobre nativo pode ser • • • • •
encontrada mas, está praticamente esgotada. O minério mais comum é a calcopirita CuFeS 2 Outros mi min rios: calc alcocit ocitaa (Cu (Cu2S) Malaquita: CaCO3.Cu(OH)2 Cuprita Cu2O
Obtenção do cobre • O minério é aquecido com ar: • 2CuFeS2 Cu2S + Fe2O3 + 3SO2 ferro como escória de • Adiciona areia para remover o ferro • • • • •
silicato de ferro. Injeta-se Injeta-se ar atra através vés da massa massa líquida líquida de de Cu S. Cu2S + O2 Cu2O +SO2 Suspende-se o fornecimento de ar e aguarda-se a autoredução do óxido e sulfeto formando cobre impuro (98 a 99%) Cu2S + Cu2O 6Cu + SO2 Purifica-se o cobre por eletrólise usando eletrodos de cobre e CuSO4 eletrolítico.
Usos do cobre • • • • •
Fabricação de fios Tubulações de água água quente. quente. Obtenção de ligas: Bronze (cobre + estanho) Latão (cobre + zinco)
Prata • • • •
A prata é encontrada na forma de minérios: Arge Argen ntit tita Ag2S Clor Cloroa oarrgini ginitta AgCl AgCl E como prata prata nativa
Obtenção da prata prata • A maior parte da prata é conseguida como sub-produto da obtenção de outros metais como omo Cu, Cu, Pb Pb e Zn. Zn. refino eletrolítico de Cu e Zn. • Ouro e prata podem ser extraídos na forma de complexos solúveis com cianeto.
Usos da prata • • • • •
Objetos de decoração. Ornamentos e jóias Baterias. Fabricação de espelhos Obtenção de ligas.
Ouro • Encontrado na forma nativa como pepitas. • Ou como pequenos grãos de metal disseminados em quartzo. • Ouro e roc as conten o ouro s o ava as pelas chuvas chuvas e arrastadas arrastadas para para cursos de água acumulando-se como sedimentos nos leitos dos rios.
Obtenção do ouro • Os grãos de ouro podem ser separados da areia dos rios por bateias. • O ouro é muito denso e se sedimenta na . água. • Hoje em dia este processo é raramente usado pois os depósitos de ouro em pepitas estão raros.
Obtenção do ouro • Modernamente as rochas contendo ouro são moídas e o ouro extraído com mercúrio ou cianeto de sódio. • A rocha moída ou água contendo ouro são passadas sobre mercúrio, no qual o ouro dissolve-se formando uma amalgama. • Por destilação da amalgama se obtém o ouro. • No Brasil este procedimento tem sido utilizado com águas de rios e areia aurífera contaminando consideráveis trechos da Bacia Amazônica.
Obtenção do ouro • Processo do cianeto: As rochas moídas são trat tratadas adas como solução solução de NaCN NaCN 0,1-0,2% 0,1-0,2% em água e aeradas. • 4Au + 8NaCN + H2O + O2 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH
complexo é solúvel separando-se das • O complexo rochas moídas. • Por adição de Zn em pó à solução filtrada se obtém o ouro.
Usos do ouro ouro • Ouro em barra: padrão monetário • Objetos de decoração. • Ornamentos e jóias • em quilates. Ouro puro tem 24 quilates. • As ligas tem geralmente 9, 18 e 22 quilates que correspondem a 9/24, 18/24 e 22/24 de ouro puro. • Componentes internos de computadores.
Manganês
Ocorrência do manganês • Pirolusita ( MnO2 )
Obtenção de Manganês • • • • • •
Eletrólise de solução aquosa de MnSO4 Redução edução da pirolusi pirolusita ta (MnO (MnO2) com Al MnSO4 Mn+2 + SO4-2 2H O 2H+ + 2OHCátodo: Mn+2 + 2e Mn Ânodo: 2OH- O2 + 2e
• Reação global: MnSO4 + H2O
Mn + H2SO4 + O2
Usos Indústria do aço: 95% do minério de • Indústria manganês é utilizado para produção de liga ferro-manganês muito dura usada em escava oras e r a e ras. • O metal puro encontra poucos usos.
