trabalho de ciencia dos materiais

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS 
 
Camila Fagundes Barros
Glendha Torquato
Kelly
Larissa Gomes Coelho
Larissa Isabelle Costa
Sarah Bastos de Paula Nagem
Renata Silva Santos
 Belo Horizonte, 2014
Alumina – Óxido de alumínio Al2O3
Resumo
A alumina é uma matéria prima sintética que individualmente ou em mistura é submetida a um tratamento térmico, que pode ser calcinação, sinterização, fusão e fusão/redução e produzida por processos químicos. Ela é um óxido de alumínio branco ou incolor que ocorre sob duas formas. 
A forma estável, alfa, em que a alumina é constituída por cristais hexagonais incolores ou rômbicos. Dos materiais conhecidos, este é um dos mais duros e muito utilizado como abrasivo na forma natural e sintética. A outra forma, a γ-alumina, transforma-se na forma alfa por aquecimento e é um sólido microcristalino.
O composto ocorre naturalmente no corindo ou esmeril na forma alfa com uma estrutura hexagonal fechada coberta de íons óxido com íons alumínio nos interstícios octaédricos.
Outras formas de óxido de alumínio existem quando a alumina contem íons metálicos alcalinos, como é o caso da β-alumina, da δ-alumina e da ζ-alumina. Existe ainda um subóxido espetroscópico de vida curta (AlO).
O óxido de alumínio puro obtém-se dissolvendo o minério de bauxita em solução de hidróxido de sódio. Como as impurezas não são anfotericas (compostos que podem agir com ácido ou base) permanecem insolúveis. O óxido hidratado é precipitado por tratamento com material de um banho anterior e posteriormente é aquecido à temperatura de 1150 a 1200 ºC formando-se a alumina alfa pura, ou a 500 a 800ºC formando-se a alumina gama pura.
A ligação no hidróxido de alumínio não é totalmente iônica, pois o íon oxido possui polarização. A alumina alfa possui caráter anfótero, mas é fracamente ácida, dissolvendo-se em bases e formando soluções que contêm íons aluminato. Pelo contrário, a alumina gama é tipicamente anfotérica dissolvendo-se tanto em ácidos, originando sais de alumínio, como em bases, originando aluminatos.
As principais características da alumina são: boa resistência à corrosão; inerte quimicamente; isolante elétrico; resistência a altas temperaturas; alta dureza; boa estabilidade térmica; excelentes propriedades dielétricas.
Histórico
Há mais de sete mil anos, os ceramistas da Pérsia fabricavam vasos de barro com óxido de alumínio (conhecido atualmente como alumina) e após trinta séculos, os egípcios e babilônicos utilizavam outro composto similar em seus cosméticos e produtos medicinais. No entanto, a real existência e funcionalidade do alumínio ainda eram desconhecidas.
Em 1808, o químico inglês Humphrey Davy conseguiu provou a existência do alumínio e, pouco tempo depois, Hans Oersted, físico alemão, produziu pequenas quantidades do metal. Uma grande evolução na produção, em 1869, baixou o custo de US$ 545 para US$ 17 o grama, quase o mesmo valor da prata.
Para obter uma grande produção de alumínio a baixo custo, o professor americano Frank Jewett propôs aos seus alunos a explorar o metal. Um de seus estudantes, Charles Martin Hall, continuou suas pesquisas depois de formado e aprendeu a fazer óxido de alumínio: a alumina.
A primeira utilização comercial da alumina foi em 1907, quando uma patente descrevia a produção de alfa alumina como material cerâmico. No entanto, a produção em alta escala iniciou em 1920 e seu primeiro uso prático foi para produção de equipamentos de laboratório, seguido por aplicações nos campos da eletrônica e da engenharia mecânica após a segunda guerra mundial.
Na segunda metade do século XIX, a produção de alumina era destinada ao uso como mordente na indústria têxtil, mas com o desenvolvimento do processo Hall-Héroult (1886), a alumina passou a ser usada na produção de alumínio metálico.
Síntese da alumina
Atualmente, a principal matéria-prima para a produção de alumina é a bauxita, disponível em quantidade quase ilimitada por todo o mundo. A bauxita, o principal minério de alumínio, é uma rocha de cor geralmente vermelha, composta por hidróxidos de alumínio, representados pelos minerais gibbsita (Al2O33H2O), boehmita (Al2O3H2O) e diásporo (Al2O3H2O).
A bauxita é formada por um processo químico natural, proveniente da infiltração de água em rochas alcalinas em decomposição. Este minério pode ser encontrado próximo à superfície com uma espessura média de 4,5 metros. Depois de minerada, a bauxita é transportada para a fábrica, aonde chega ainda em seu estado natural. 
Então a bauxita é moída e acrescida de uma solução de soda cáustica, que a torna pastosa. Aquecida sob pressão, recebe novas quantidades de soda cáustica, esta massa se dissolve e forma uma solução que é sedimentada e filtrada.
Nesta etapa, as impurezas são eliminadas e já pode extrair a alumina da solução.
Nos precipitadores, a alumina contida na solução é precipitada pelo processo de "cristalização por semente". O material resultante é lavado e seco por aquecimento; obtendo-se a alumina, que se apresenta sob a forma de pó branco e refinado, de aspecto semelhante ao açúcar.
Nesta fase, o processo químico denominado Bayer é o mais utilizado. 
Processo Bayer
Nele, a bauxita é dissolvida em soda cáustica e, posteriormente, filtrada para separar todo o material sólido, concentrando-se o filtrado para a cristalização da alumina.
Grande parte da alumina produzida pelo processo Bayer destina-se à produção de alumínio metálico. Esta alumina é constituída de óxido de alumínio alfa, algumas fases de transição e um pouco de gibbsita; sua aplicação em cerâmica é restrita.
Figura 3 – Esquema básico de refinamento da bauxita para produção de alumina Sampaio et al. (2005)
O inicio do processo Bayer, se dá pela moagem da bauxita para uma granulometria abaixo de 208 µm, em seguida, a mesma será misturada a uma solução de soda cáustica (NaOH) em tanques pressurizados e aquecidos a 145 ºC (digestores), nestas condições a bauxita dissolve-se formando o aluminato de sódio (NaO.Al2O3), finalizando a etapa de digestão, enquanto as impurezas permanecem na fase sólida e são conhecidas como “lama vermelha”. Prosseguindo, para se separar a lama vermelha da fase líquida, realizam-se, mais comumente, etapas de espessamento seguidas de filtragem. O espessamento consiste em um processo de decantação que ocorre em tanques chamados de espessadores ou lavadores. O objetivo nesta fase é adensar as partículas sólidas, podendo-se, para isto, utilizar-se de coagulantes que irão propiciar a formação de partículas mais densas que irão sedimentar e, assim, separar a fase líquida da sólida (lama vermelha). A precipitação é a etapa seguinte. Nela, a solução de NaO.Al2O3 na fase líquida, já livre da lama vermelha, sofre uma redução na temperatura e é feita a adição de uma quantidade pequena de cristais de alumina (semeadura) para estimular a precipitação. Como produto da precipitação, tem-se o Al(OH)3, na fase sólida, e o NaOH, na fase líquida, ou seja, uma ação reversa a da digestão (Silva et al., 2007). O Al(OH)3 cristalizado é enviado para a etapa de calcinação, enquanto uma quantidade de NaO.Al2O3, na fase líquida, com soda cáustica retorna para a digestão. A calcinação é a etapa final do processo, em que o Al(OH)3 é lavado para remover qualquer resíduo que ficou da fase líquida não cristalizada, posteriormente é secada. Em seguida a alumina (chamada gibbsita) é calcinada a aproximadamente 1000 °C para desidratar os cristais, formando cristais de alumina puros, de aspecto arenoso e branco, como mostra a figura (Silva et al., 2007). A equação 1 mostra a reação química que caracteriza a calcinação.
 (1)
Figura – Alumina obtida através do processo de Bayer.
A lama vermelha, resíduo insolúvel descartado nas etapas de espessamento e filtragem, é composta por óxidos insolúveis de ferro, quartzo, aluminossilicatos de sódio, carbonatos e aluminatos de cálcio e dióxido de titânio (geralmentepresente em traços). A lama vermelha sofre uma lavagem através de um processo de sedimentação com fluxo de água em contracorrente e posterior deságue para a recuperação do NaOH (Silva et al., 2007).
Processo Hall-Héroult
Em 1886, dois cientistas de modo separado desenvolveram o método em que se utilizava a eletrólise ígnea. Esses cientistas eram o americano Charles M. Hall e o francês Paul Héroult, por isso esse método passou a ser chamado de Processo de Hall-Héroult ou, simplesmente, Processo de Hall, visto que Charles M. Hall o patenteou. Neste processo, há a separação de oxigênio do óxido de alumínio, formando o alumínio metálico, Al.
O ponto chave que eles descobriram era como fazer o óxido de alumínio ficar no estado líquido para assim conseguir realizar a sua eletrólise ígnea, pois o problema era que o ponto de fusão dele era acima de 2000ºC. Eles utilizaram um fundente, o minério criolita (Na3AℓF6), que foi capaz de abaixar a temperatura de fusão do óxido de alumínio para cerca de 1000 ºC.
Assim, como mostra o esquema abaixo, essa mistura de óxido de alumínio e criolita foram colocadas em uma cuba eletrolítica de aço revestida de carbono. Por essa mistura fundida passa uma corrente elétrica. As paredes do recipiente que ficam em contato com a mistura funcionam como polo negativo da eletrólise (cátodo), onde ocorre a redução dos cátions de alumínio. Já o ânodo (polo positivo) são cilindros constituídos de grafite ou de carvão, isto é, ambos formados de carbono, onde ocorre a oxidação dos ânions de oxigênio:
Semirreação do cátodo: 4 Aℓ3+(ℓ) + 12 e- → 4 Aℓ(ℓ)
Semirreação do ânodo: 6 O2-(ℓ)  → 12 e- + 3 O2(g)
O oxigênio formado reage com o carbono do ânodo e gera também dióxido de carbono:
3 O2(g)  + 3 C(s) → 3 CO2(g)
De modo que a reação global e o esquema dessa eletrólise ígnea que dá origem ao alumínio são dados por:
O alumínio obtido está na forma líquida, porque o seu ponto de fusão é de 660,37 ºC, ou seja, menor que o da mistura de alumina e criolita. O alumínio também é mais denso que a mistura e, por isso, vai se depositando no fundo do recipiente, por onde é recolhido.
Na produção de 1 tonelada de alumínio usa-se:
4 a 5 toneladas de bauxita, de onde são extraídas cerca de 2 toneladas de alumina;
50 quilogramas de criolita (não há muitas reservas naturais de criolita, por isso, ela costuma ser obtida por meio de sua síntese a partir da fluorita (CaF2), um mineral mais abundante na natureza);
0,6 toneladas de carvão para os eletrodos.
No processo Hall-Héroult, os cátodos são de Carbono pelos seguintes motivos:
1. O catodo é o recipiente que contém banho e metal líquido, que estão em temperaturas da ordem de 1000C, portanto precisamos de um material que resista a altas temperaturas. 2. A corrente elétrica vai fluir através do catodo, portanto precisamos de um material que seja bom condutor de eletricidade. 3. O carbono a altas temperaturas é um bom condutor de eletricidade, além de resistir às altas temperaturas necessárias ao processo de redução do Alumínio.
* Fundente é uma substância que age como uma tampa sobre a substância e que gera um efeito estufa quando há o aquecimento dessas substâncias, por isso abaixa o ponto de fusão.
Estrutura e propriedades da alumina
A alfa alumina possui uma estrutura cristalina hexagonal compacta com ions de aluminio ocupando 2/3 dos interstícios octaédricos. Cada ion de alumínio esta próximo de seis ions de oxigênio equidistantes
A alumina tem sua natureza consideravelmente dependente de uma série de fatores, como sua forma cristalina, impurezas na estrutura e microestrutura. Estudos revelam ainda a existência de pelo menos vinte e quatro fases cristalográficas para aluminas calcinadas livres de águas, entre elas: fases alfa, gama, delta, eta, teta, kappa e chi.
A alumina possui dois planos de deslizamentos: brasal e prismática, que podem ocorrer em temperaturas próximas a 1000ºC. Ela possui notáveis propriedades mecânicas como a alta dureza, resistência ao desgaste, resistência ao ataque químico, resistência a corrosão ao ar, estabilidade termodinâmica e o fato de manter a resistência em temperaturas altas coloca a alumina como um típico representante da classe das cerâmicas estruturais.
Entretanto a alumina também possui limitações; ela apresenta grande fragilidade, baixa tenacidade à fratura e grande sensibilidade ao choque térmico e mecânico. Seu modulo de elasticidade é afetado pelo aumento de temperatura acima de 1000ºC e a energia de fratura é afetada pela microestrutura da alumina através do tamanho e das formas dos poros, dos tamanhos de grãos e pela presença de uma segunda fase.
Aplicações
As aplicações eletrônicas estão principalmente relacionadas com sua propriedade de alta resistividade elétrica a temperaturas relativamente elevadas. Aplicações em micro-circuitos surgem com problemas de transferência de calor, necessidade de precisão de dimensões e de superfícies extremamente lisas de substratos. 
Atualmente novas aplicações despertam o interesse na utilização da alumina e seus derivados, sendo comum o uso como catalisadores e suportes destes. No entanto, diferentes fases cristalinas da alumina estão relacionadas com as diversas propriedades e aplicações. 
Dentro das cerâmicas avançadas, a alumina é a mais utilizada por oferecer bom desempenho em termos de resistências de uso, à corrosão e a alta dureza a um bom custo/benefício. Além disso, ela pode combinar propriedades mecânicas e elétricas, o que favorece em grande parte de suas aplicações. A alumina pode ser produzida em diferentes percentuais de pureza e formar outros compósitos cerâmicos, aprimorando suas propriedades.
A alumina pode ser encontrada na forma de pedras preciosas de rubi e safira que são óxidos de alumínio colorido por traços muito pequenos de crómio e cobalto. A safira apresenta-se como cristais hexagonais coloridos e é usada em joalherias; e o rubi apresenta-se na forma de cristais hexagonais de cor vermelha devido às impurezas de crómio, e é utilizado como pedra preciosa e como elemento de contacto ou fricção em aparelhos de precisão.
Alumina Calcinada para Cerâmica
Para produção de alumina para cerâmica há necessidade de se introduzir algumas modificações no processo Bayer e no tratamento térmico, (temperaturas que variam de 1250 ºC a 1500ºC), visando principalmente reduzir o teor de Na2O e controlar o tamanho e forma dos cristais que tem influência sobre as propriedades finais do produto cerâmico. Dessa forma são obtidos inúmeros tipos de óxidos de alumínio, cada um com determinadas características e campo de aplicações.
Aplicações: São empregadas para fabricação de refratários, fibras cerâmicas, placas para revestimento de moinhos e silos, elementos moedores (esferas e cilindros), guia fios para a indústria têxtil, bicos de pulverização agrícola, selos mecânicos, parte cerâmica da vela de ignição, substratos para microeletrônica e outras. 
Alumina Eletrofundida Marrom (óxido de alumínio eletrofundido marrom)
O óxido de alumínio fundido é produzido em fornos elétrico a arco, utilizando bauxita como matéria prima. 
O minério é britado e calcinado, e depois misturado com cavaco de ferro (15%) e coque (5%), sendo essa mistura carregada na fornalha. Durante o processo de eletrofusão, os óxidos metálicos contidos na carga, com exceção do óxido de alumínio, são reduzidos a metais elementares pelo carbono; com o ferro adicionado na carga, tais metais formam ligas que por serem mais densas que a alumina fundida vão se depositando no fundo do forno; a principal liga formada é o ferro-silício.
Após a reação, a mistura é resfriada em condições controladas, de modo que se obtenha o tamanho desejado dos cristais. A massa resfriada é então britada, peneirada e limpa. Os grãos podem variar em rigidez, tipo de fratura, adesão a cola e diversas outras propriedades, dependendo da finalidade. 
A adição de cromo ao abrasivo aumenta sua dureza sem que sua rigidez aumente significativamente. Essa característica é importante para aplicaçõesonde seja desejada uma menor temperatura de operação. Outra mistura possível é a de alumina-zirconita, que possui extrema durabilidade, e é particularmente útil em fundições e condicionamento do aço. 
Sua utilização se dá principalmente em refratários, abrasivos revestidos e com ligas. Na forma de pó, o óxido de alumínio é utilizado em aplicações eletrônicas e industriais que requeiram um acabamento fino da superfície. 
Alumina eletrofundida branca (oxido de alumínio eletrofundido branco)
O processo de fabricação assemelha-se ao da fabricação de óxido de alumínio eletrofundido marrom, diferindo, somente, quanto às matérias-primas da carga e ao fato de não haver redução na eletrofusão. Neste caso emprega-se como matéria-prima apenas a alumina. Em alguns casos são adicionado à alumina, pequenos teores de óxido de cromo.
Aplicações: Indústria de abrasivos e de refratários e em algumas massas de porcelana em substituição ao quartzo.
A diferença básica entre a alumina eletrofundida marrom e a branca é a composição química na qual o marrom apresenta cerca de 97,0 % de AL2O3  e 2,50% de TiO2 e o branco 99,5 % de AL2O3. 
Alumina Tabular
É obtida pela calcinação da alumina em temperatura próxima a de fusão do óxido de alumínio (2020 ºC).
Aplicações: Indústria de refratários que são feitos para suportar elevadas temperaturas nas condições específicas de processo e de operação dos equipamentos industriais.
Cimento Aluminoso
Os cimentos aluminosos são ligantes hidráulicos, cujo componente principal é o aluminato de cálcio. Estes cimentos são fabricados a partir de misturas de calcários com bauxita ou com alumina, de forma a se obter cimentos com teores de óxido de alumínio na faixa de 40% a 80%.
Estes produtos podem ser obtidos por dois processos, fusão ou sinterização:
•no processo de fusão as matérias-primas são moídas, dosadas e levadas ao forno para fusão. O material fundido é descarregado em lingoteiras e resfriado.
•no processo de sinterização as matérias-primas são secas, dosadas e moídas em moinho de bolas até uma granulometria próxima ao do cimento. Em seguida este pó é pelotizado, calcinado em fornos rotativos e resfriado, obtendo-se o clinquer.
O clinquer de ambos os processos é britado e moído até a granulometria desejada, obtendo-se dessa forma o cimento.
Aplicações: Os cimentos aluminosos são semelhantes aos cimentos Portland usados na construção civil, em cuja composição predomina o silicato de cálcio. No entanto, para suportar as condições a que são submetidas às construções refratárias nos processos industriais somente os cimentos aluminosos são adequados. Estes são sempre utilizados em mistura com agregados refratários para obtenção dos concretos.
Alumina tri-hidratada
Alumina hidratada (Hidróxido de Alumínio ou alumina tri-hidratada ou hidrato) é produzida industrialmente por meio de dissolução da bauxita em soda cáustica e recristalização da gibsita pelo processo Bayer.
Suas partículas constituem-se de aglomerados de cristais primários, que se formam durante a etapa de recristalização. Por se tratar de um material sintético, o hidróxido de alumínio apresenta elevada pureza, consistência química e granulométrica, particularmente quando comparado com outras matérias-primas de origem natural.
A alumina hidratada é comumente utilizada como retardante de chama e cargas em produtos poliméricos, tais como espumas, fios e cabos elétricos e interiores de veículos de transporte dentre outros.
Alumina micronizada
Alumina micronizada é um material ultrafino, obtido a partir de moinhos com ar comprimido (jet mills) por meio do choque entre as partículas do próprio material. As principais características são o tamanho pequeno da partícula formada e a ausência de contaminação, geralmente não atingíveis quando são utilizados processos convencionais de cominuição como moinhos de martelo, mandíbulas e bolas.
As principais aplicações de alumina micronizadas são em produtos para polimento de superfície, cargas em tintas e cerâmicas técnicas.
Curiosidades
No campo da odontologia novos materiais são estudados e desenvolvidos frequentemente com a finalidade de melhorar as técnicas e os procedimentos. Neste momento, a alumina tem ganhado bastante visibilidade no campo das coroas, núcleos e implantes dentários, pois possui um ponto de fusão muito elevado e um extraordinário nível de estabilidade e resistência.
A alumina melhora tanto a densidade das coroas e núcleos (que precisam ser compactos para funcionar corretamente) quanto as suas características superficiais.
O revestimento da alumina pode ser aplicado superficialmente para melhorar a aparência das coroas. A sua cor se assemelha à do esmalte dentário, de modo que o acabamento do tratamento fica extremamente natural.
Fontes:
http://www.infopedia.pt/$alumina;jsessionid=DaIVctoxvjj9HBcijF5yTQ__
http://www.ceramicacertec.com.br/index.php/produtos/alumina/
http://www.brasilescola.com/quimica/obtencao-aluminio-por-meio-eletrolise.htm
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfCmsAF/obtencao-aluminio-metalico
http://dentistasbrasil.com/blog/alumina-ou-oxido-de-aluminio-o-que-e-para-que-serve/
http://www.rawmaterial.com.br/2013/03/alumina-hidratada/
http://www.rawmaterial.com.br/2013/03/alumina-micronizada/