ATIVIDADES PRÁTICAS SUPERVISIONADAS de química

Engenharia de Produção

ETPAS 3 E 4.

Este trabalho servirá para que você possa reconhecer importância dos minérios para a extração de diversos tipos de metais; compreender como as transformações químicas são importantes para obtenção dos materiais; entender a importância das ligações metálicas no sistema produtivo; compreender como ocorre a migração de elétrons em um processo de oxidação; reconhecer a necessidade dos potenciais de redução (oxidação) das substâncias, a fim de evitar a corrosão dos materiais e conhecer maneiras de evitá-la.

Fernando R. de Moraes

R.A.: 3272591832

Claudinei F. Rodrigues

R.A.: 3292593209

Denis Fabiano F. Pereira

R.A.: 3200499011

Jorge Arrua Gonçalves

R.A.: 1158376829

Luigy Anderson

R.A.: 3227021678

  1. Introdução

A Humanidade está intimamente relacionada com materiais e novas técnicas, em Relação aos metais podemos afirmar que eles desempenham um papel fundamental na evolução histórica, pois os metais constituem cerca de 80% dos elementos químicos conhecidos. Eles não se encontram livres na natureza, mas a maioria é obtida a partir de minerais, isto é combinado com outros elementos.

Portanto neste trabalho nosso objetivo é apresentar os conhecimentos sobre metais, suas características, sua ligação, derivados, processo de extração, produção do ferro e cobre, e as principais utilizações como fonte de matéria prima, também sobre a corrosão do ferro e do aço e maneiras de evitá-la.

  1. ETAPA 3 - O modelo de ligações metálicas

1.1.Características dos metais.

São bons condutores elétricos usados para fabricar fios elétricos; bons condutores térmicos usados na fabricação utensílios de cozinha, ferros elétricos, etc., apresentam brilho e cor típicos uma superfície metálica bem polida tem aspecto tipicamente brilhante, normalmente, possui cor branca prateada, pois refletem bem todas as freqüências de luz; podem ser entortados alguns são mais duros outros mais moles, porem uma propriedade típica dos metais é sua flexibilidade; resistência ao calor com exceção do mercúrio, todos os outros metais se encontram no estado sólido a temperatura ambiente, e geralmente possuem altas temperaturas de fusão e ebulição.

1.2.Ligação metálica.

Consideramos um cristal de lítio metálico: é sabido que na sua rede cristalina cada átomo de lítio encontra-se rodeados por oito visinhos próximos.

No entanto o elemento lítio possui apenas um elétron de Valência, sendo assim não pode fazer oito compartilhamentos com os oitos visinhos (a ligação covalente esta descartada). Ma o Lítio cuja camada de Valencia é a segunda, possui espaço para oito elétrons e, por isso, seu elétron e o dos visinhos podem acomodar-se nesta região. Assim cada átomo de lídio tem abundancia de espaço vazio (orbitais de Valencia vazio) e escassez de elétrons de Valencia. O elétron de Valencia de cada átomo de lítio encontra sempre à sua volta orbitais de Valencia vazios. Isso significa que eles acabam tendo liberdade de movimento. Por onde quer que eles se movam, encontram sempre núcleos positivos para compensar a carga negativa região quase uniforme , de energia potencial baixa. Nessas circunstâncias podemos explicar por que estes elétrons se movem facilmente de um lugar para outro ao longo do cristal metálico.

1.3.Liga metálica.

Uma liga metálica é a mistura de dois ou mais metais ou de metais com não- metais, mas sempre com predominância do primeiro. As ligas podem ser formadas pela mistura dos metais no estado líquido e posterior resfriamento.

Exemplo de ligas metálicas:

Liga: Aço - Composição : Ferro e Carbono

Liga: Latão - Composição : Cobre e Zinco

Liga : Solda Composição : Chumbo e estanho.

4-Resumo: FERRO

Tem se indicio do uso do ferro, seguramente procedente de meteoritos. O ferro não é encontrado puro na natureza, ele é extraído sob forma de minério, principalmente em forma de oxido , destacando se : a hematita (Fe2O3) , a magnetita ((Fe3O4) , a limonita (FeO (OH)), a siderita (FeCO3) , a pirita (Fe2O3) e a ilmenita (FeTiO3).

A redução dos óxidos para a obtenção do ferroe efetuado em fornos denominados alto forno que contem carvão vegetal (massa aproximadamente do carvão que entra no alto forno 0,17t e o teor típico de carbono no ferro é de 4,3% em massa), neles são adicionados os minerais de ferro, em presença de coque, e carbonato de cálcio, CaCO3, que atua como escorificante.

No processo de obtenção, geralmente é usado à hematita, que apresenta ponto de fusão de 1560 C. Para que essa temperatura seja diminuída, é adicionado o carbonato de cálcio (CaCO3). Além de promover a redução do ponto de fusão da hematita, ele atua reagindo com impurezas presentes como o dióxido de silício (SiO2) formando o metassilicato de cálcio (CaSiO3), conhecido como escória. O coque (carbono amorfo, com mais de 90% de pureza) é usado para promover a redução da hematita, transformando o Fe3+ em Fe(s). Inicialmente, o coque, em presença de excesso de O2 fornecido pelo ar, reage produzindo CO2. O dióxido de carbono assim produzido, e também proveniente do carbonato de cálcio, reagem com o coque que é constantemente adicionado ao alto forno, produzindo CO. Este, por fim será o responsável por reagir com Fe2O3 produzindo Fe(s) e CO2.

O processo de oxidação do coque com oxigênio libera energia. Na parte inferior do alto forno a temperatura pode alcançar 1900 C

Inicialmente, os óxidos de ferro são reduzidos na parte superior do alto forno, parcial ou totalmente, com o monóxido de carbono, já produzindo ferro metálico. Posteriormente, na parte inferior do alto forno, onde a temperatura é mais elevada, ocorre a maior parte da redução dos óxidos com o coque (carbono). O carbonato de cálcio se decompõe e o dióxido de carbono é reduzido com o coque a monóxido de carbono e na parte mais inferior do alto forno ocorre à carburação. Finalmente ocorre a combustão e a dessulfuração (eliminação do enxofre) devido à injeção de ar no alto forno, e por último são separadas as frações: a escória do ferro fundido, contendo as impurezas presentes no minerios de ferro (especialmente areia).

1.4.Extração do cobre.

Podemos extrair o cobre a partir dos compostos:

  • calcopirita uma mistura de cobre , ferro e enxofre (Cu2S . Fe2S3)

  • calcosita composto de cobre e enxofre (Cu2S).

1.5.Aplicações para o cobre.

É usado nas seguintes aplicações: componentes de radar, enrolamento de rotores para geradores e motores, trilhas de circuitos impressos, caldeiras, tachos, alambiques, tanques, câmaras de esterilização, permutadores de calor, radiadores e juntas para indústria automotiva, peças para aparelhos de ar condicionado e refrigeradores, condutores para gás e águas pluviais etc.O cobre também pode ser usado como elemento de liga, geralmente adicionado para aumentar a resistência à corrosão. É o caso, por exemplo, do aço ao carbono: adiciona-se cobre ao aço quando se deseja melhorar sua resistência à corrosão. Em relação ao alumínio, a adição de cobre confere a essa liga maior resistência mecânica.

1.6.Processos de extração do ferro e do cobre.

Obtenção do Cobre

Atualmente, é obtido a partir de minérios, sendo os mais divulgados os minérios sulfurados. Dois destes minérios destacaram-se em primeiro plano: - A calcopirita (Cu 2S + Fe2S3) cujo teor em cobre é de 34,5 %, - A calcosita (Cu 2S) contendo cerca de 80 % de cobre. Os minérios oxidados e carbonatados também são encontrados freqüentemente:- A cuprita (Cu 2O), óxido de cobre, - A azurita (2 CuCo 3), carbonato de cobre.

Uma observação geral deve ser feita sobre o local das jazidas de minérios de cobre: há predominância de minérios oxidados na superfície, os minérios sulfurados encontrando-se, pelo contrário, em profundidade.

Obtenção do Ferro

Depois que se encontra a jazida, o processo de exploração consiste em retirar o material útil (pedaços de rocha com porções do minério), quebrá-lo em pedaços de tamanho comercial, limpar e colocar num trem que o leve ao porto mais próximo. Seria simples, se o tal material útil não fosse composto de rochas com milhares de toneladas, misturadas com terra e vários tipos de "lixo", acumulados durante a formação da rocha. Por isso, tudo em uma mina tem proporções absurdamente grandes: os caminhões que transportam o minério, por exemplo, têm pneus de mais de 3 metros de altura e as escavadeiras pesam até 500 toneladas (25 vezes mais do que as convencionais). O Brasil é rico em muitos tipos de minérios, entre eles manganês, bauxita, tungstênio, cobre, estanho, níquel e cromo, mas o principal é, sem dúvida, o ferro, que representa cerca de 40% do faturamento nacional no setor de extrativismo mineral. Anualmente, a Companhia Vale do Rio Doce, maior empresa de mineração do país, exporta mais de 200 milhões de toneladas de minério de ferro, da pedra ao póPara extrair o ferro da rocha são usadas máquinas monstruosas e muita água.

Analisando os dois processos de extração a extração mineral pode causar inúmeros impactos ambientais como sociais. Dejetos do processamento dos minérios podem contaminar o lençol freático e os mananciais (rios e lagos usados para o abastecimento de água).

A garimpagem do ouro utiliza mercúrio, pois esse elemento reage quimicamente com o ouro e forma um amálgama (isto é, o ouro se liquefaz como o mercúrio). Para separá-los, a mistura é aquecida e o mercúrio evapora, poluindo o meio ambiente. Uma parte do mercúrio (que provoca danos graves ao ambiente e à saúde da população) permanece misturada com a lama e é jogada diretamente nos rios.

1.7.Metais produzidos no Brasil.

Principalmente Fe e Al.

Fe - usado como matéria prima do aço, de ferro ligas, ferro fundido, ferro nodular. Seu principal minério é a hematita (Fe2O3),

Al usado como matéria prima de esquadrias, latas, canecos, panelas, etc. Seu minério é a bauxita, uma argila de fórmula Al2O3. H2O2.

  1. ETAPA 4 - Corrosão do ferro e do aço e maneiras de evitá-la

1.8.Corrosão metálica.

A corrosão consiste na deterioração dos materiais pela ação química ou eletroquímica do meio, podendo estar ou não associado a esforços mecânicos. Ao se considerar o emprego de materiais na construção de equipamentos ou instalações é necessário que estes resistam à ação do meio corrosivo, além de apresentar propriedades mecânicas suficientes e características de fabricação adequadas. A corrosão pode incidir sobre diversos tipos de materiais, sejam metálicos como os aços ou as ligas de cobre, por exemplo, ou não metálicos, como plásticos, cerâmicas ou concreto. A ênfase aqui descrita será sobre a corrosão dos materiais metálicos. Esta corrosão é denominada corrosão metálica. Dependendo do tipo de ação do meio corrosivo sobre o material, os processos corrosivos podem ser classificados em dois grandes grupos, abrangendo todos os casos deterioração por corrosão:

- Corrosão Eletroquímica - Corrosão Química. Os processos de corrosão eletroquímica são mais freqüentes na natureza e se caracterizam basicamente por:

Necessariamente na presença de água no estado líquido;

Temperaturas abaixo do ponto de orvalho da água, sendo a grande maioria na temperatura ambiente;

Formação de uma pilha ou célula de corrosão, com a circulação de elétrons na superfície metálica.

Em face da necessidade do eletrólito conter água líquida, a corrosão eletroquímica é também denominada corrosão em meio aquoso. Nos processos de corrosão, os metais reagem com os elementos não metálicos presentes no meio, O2, S, H2S, CO2 entre outros, produzindo compostos semelhantes aos encontrados na natureza, dos quais foram extraídos. Conclui-se, portanto, que nestes casos a corrosão corresponde ao inverso dos processos metalúrgicos, vide figura 1.

Os processos de corrosão química são, por vezes, denominados corrosão ou oxidação em altas temperaturas. Estes processos são menos freqüentes na natureza, envolvendo operações onde as temperaturas são elevadas. Tais processos corrosivos se caracterizam basicamente por:

- ausência da água líquida; - temperaturas, em geral, elevadas, sempre acima do ponto de orvalho da água; - interação direta entre o metal e o meio corrosivo.

Como na corrosão química não se necessita de água líquida, ela também é denominada em meio não aquoso ou corrosão seca. Existem processos de deterioração de materiais que ocorrem durante a sua vida em serviço, que não se enquadram na definição de corrosão. Um deles é o desgaste devido à erosão, que remove mecanicamente partículas do material. Embora esta perda de material seja gradual e decorrente da ação do meio, tem-se um processo eminentemente físico e não químico ou eletroquímico. Pode-se, entretanto ocorrer, em certos casos, ação simultânea da corrosão, constituindo o fenômeno da corrosão-erosão.

Outro tipo de alteração no material que ocorre em serviço, são as transformações metalúrgicas que podem acontecer em alguns materiais, particularmente em serviço com temperaturas elevadas. Em função destas transformações as propriedades mecânicas podem sofrer grandes variações, por exemplo, apresentando excessiva fragilidade na temperatura ambiente. A alteração na estrutura metalúrgica em si não é corrosão embora possa modificar profundamente a resistência à corrosão do material, tornando-o, por exemplo, susceptível à corrosão intergranular. Durante o serviço em alta temperatura pode ocorrer também o fenômeno da fluência, que é uma deformação plástica do material crescente ao longo do tempo, em função da tensão atuante e da temperatura.

Os meios corrosivos em corrosão eletroquímica são responsáveis pelo aparecimento do eletrólito. O eletrólito é uma solução eletricamente condutora constituída de água contendo sais, ácidos ou bases.

Principais Meios Corrosivos e Respectivos Eletrólitos - atmosfera: o ar contém umidade, sais em suspensão, gases industriais, poeira, etc. O eletrólito constitui-se da água que condensa na superfície metálica, na presença de sais ou gases presentes no ambiente. Outros constituintes como poeira e poluentes diversos podem acelerar o processo corrosivo;

- solos: os solos contêm umidade, sais minerais e bactérias. Alguns solos apresentam também, características ácidas ou básicas. O eletrólito constitui-se principalmente da água com sais dissolvidos;

- águas naturais (rios, lagos e do subsolo): estas águas podem conter sais minerais, eventualmente ácidos ou bases, resíduos industriais, bactérias, poluentes diversos e gases dissolvidos. O eletrólito constitui-se principalmente da água com sais dissolvidos. Os outros constituintes podem acelerar o processo corrosivo;

- água do mar: estas águas contêm uma quantidade apreciável de sais. Uma análise da água do mar apresenta em média os seguintes constituintes em gramas por litro de água:

Cloreto (Cl-)

18,9799

Sulfato (SO -)

2,6486

Bicarbonato (HCO)

0,1397

Brometo (Br-)

0,0646

Fluoreto (F-)

0,0013

Ácido Bórico (H3BO3)

0,0260

Sódio (Na+)

10,5561

Magnésio (Mg2+)

1,2720

Cálcio (Ca2+)

0,4001

Potássio (K+)

0,3800

Estrôncio (Sr 2+)

0,0133

A água do mar em virtude da presença acentuada de sais é um eletrólito por excelência. Outros constituintes como gases dissolvidos, podem acelerar os processos corrosivos;

- produtos químicos: os produtos químicos, desde que em contato com água ou com umidade e formem um eletrólito, podem provocar corrosão eletroquímica.

1.9.Anodo de sacrifício

O anodo de sacrifício foi desenvolvido para ser corroído (dissolvido) no lugar das partes do motor imersas na água salgada, como a rabeta, o leme ou os eixos. O zinco ou liga de zinco com alumínio (conhecido como alumínio podre) são os melhores anodos para água salgada. Já em água doce, a eletrólise é bem menor e a liga de magnésio é o anodo mais recomendado.

O anodo deve ser aparafusado ao corpo do motor na parte submersa, onde está aterrado o negativo da bateria, assim melhorando o fluxo da corrente elétrica e fazendo com que ele trabalhe a seu favor. Nada adianta colocar um anodo fora da água, pois ele não terá função nenhuma.

A utilização de muitos anodos pode provocar um efeito contrário ao esperado. Muitos metais farão com que a massa do anodo fique mais “dura” do que o corpo do motor, e assim a corrosão se daria no sentido inverso, preservando o anodo e castigando os materiais mais nobres.

1.10.Eletroquímica

A Eletroquímica é um ramo da química que estuda reações químicas que ocorrem em uma solução envolvendo um condutor (um metal ou um semicondutor) e um condutor iônico (o eletrólito), envolvendo trocas de elétrons entre o eletrodo e o eletrólito.

Este campo científico abrange todos os processos químicos que envolvam transferência de elétrons entre substâncias, logo, a transformação de energia química em energia elétrica. Quando tal processo ocorre, produzindo transferência de elétrons, produzindo espontaneamente corrente elétrica quando ligado a um circuito elétrico, ou produzindo diferença de potencial entre dois pólos, é chamado de pilha ou bateria (que muitas vezes é formada de diversas células). Quando tal processo é proporcionado, induzido, pela ação de uma corrente elétrica de uma fonte externa, este processo é denominado de eletrólise.

Referências

  • www.elcobre.com

  • www.aplicandoaquimica.com.br

  • PLT 2010 – Química – Daltamir Justino Maia e José Carlos de Azambuja Bianchi.

  • Uma abordagem geral - Artigos elaborados por Gutemberg de Souza Pimenta.

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