Química Inorgânica - 3 Química dos Elementos - Bloco d e f + 4 Metais e Metalurgia

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29/05/2015 
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3. Química dos Elementos e seus 
Compostos II - Metais de 
Transição e Terras Raras 
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Porque estudar os metais d? 
- Fe: Elemento central no desenvolvimento industrial dos humanos; 
- Ti: Forma ligas metálicas de alto desempenho, implantes; 
- Ag: Propriedades bactericidas, metal semiprecioso; 
- Co, Mo: Encontrados em vitaminas essenciais; 
- W: Filamentos de lâmpadas incandescentes; 
- Pt, Pd, Ru: Catalisadores, formação de complexos. 
- Formação de ligas metálicas com composições muito variáveis. 
 
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Estados de Oxidação dos metais d 
Estados de oxidação encontrados para os metais de transição. 
Laranja denota os estados de oxidação mais comuns. 
Vários estados de oxidação possíveis. 
Podem-se identificar alguns padrões: 
 
1. Elementos das extremidades 
possuem poucos estados de 
oxidação possíveis (orbitais quase 
completos ou incompletos); 
 
2. Elementos centrais do bloco 
possuem quase todos os estados 
de oxidação possíveis (orbitais d 
estão habitados com elétrons 
desemparelhados). 
Primeiro Período do Bloco d 
Do Escândio ao Níquel 
 
 
 
-Possuem valores de ponto de fusão próximos devido ao tipo de ligação envolvida no sólido; 
-Densidade aumenta da esquerda pra direita. 
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Primeiro Período do Bloco d 
 
Do Escândio ao Níquel 
 
Primeiro Período do Bloco d 
 
- Sc: Cátion pequeno e de alta carga, é capaz de desprotonar á agua em seus complexos: 
 
 
 
- Ti: comumente encontrado em compostos no estado +4, forma ligas fortes e leves: 
 
 
 
Utilizado na forma de TiO2: Pigmento branco na indústria de tintas e papel. 
 
- V: Forma ligas ferrosas com aço, úteis na produção de molas automotivas: 
 
 
 
 
 
V2O5: utilizado como catalisador em reações de oxidação (ácido sulfúrico). 
[Sc(OH2)6]
3+
(aq) [Sc(OH2)5(OH)]
2+
(aq) + H
+
(aq)
 
V2O5 
TiO2 
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Primeiro Período do Bloco d 
 
- Cr: Metal resistente à corrosão, obtido pela redução do mineral Cromita (FeCr2O4): 
 
 
 
 
Óxidos de cromo de alta valência em meio ácido (como o dicromato) são bons agentes oxidantes 
 
 
 
 
 
- Mn: Forma ligas ferrosas duras e resistentes à abrasão. Com o bronze, forma ligas muito 
resistentes à corrosão: 
 
 
 
 
Pirolusita 
Processo Termita 
Primeiro Período do Bloco d 
 
- Fe: Segundo elemento mais abundante da crosta terrestre (atrás do alumínio). É encontrado 
na forma dos minérios Hematita (Fe2O3) e Magnetita (Fe3O4): 
 
Fe3O4(s) + 4CO(g) 3Fe(s) + 4CO2(g) 
 
- Assim como o Al3+ e o Sc3+, dado seu poder polarizante, íons Fe3+ tornam o meio onde estão 
ácidos: 
 
 
 
 
- É importante em processos biológicos, como no transporte de oxigênio via hemoglobina. Um 
ser humano saudável possui cerca de 3g de ferro em sua composição. Perdemos diariamente 1 
mg através do suor, fezes e cabelo. Mulheres: Adicional de 20 mg durante a menstruação. 
 
900 °C 
Púrpura Amarelo Pálido 
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Ligas Metálicas Ferrosas 
 
 
 
Primeiro Período do Bloco d 
 
- Ni: Obtido em sua grande maioria de Sidbury, Ontário, devido à colisão de um meteoro contra 
a Terra, que expôs os minérios de Fe e Ni. 
 
 
 
 
- O níquel passa por um processo de purificação após formação do níquel tetracarbonilo: 
 
 
 
 
É utilizado em ligas com o cobre (liga cuproníquel - 25% Ni, 75% Cu) para produção de moedas, 
em baterias de Ni-Cd e como catalisador na hidrogenação de compostos orgânicos (manteiga). 
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Grupos 11 e 12 
 
Famílias do Cobre e do Zinco 
 
Grupos 11 e 12 
Famílias do Cobre e do Zinco 
 
 
 
- Elétrons de orbitais d possuem um baixo nível de blindagem - alta interação entre os elétrons 
mais externos e o núcleo; 
- Baixa reatividade; formam compostos com valores de oxidação baixos. 
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Grupos 11 e 12 
 
- Cu: É encontrado na forma nativa, mas é encontrado mais abundantemente na Calcopirita 
(CuFeS2). É um excelente condutor elétrico: 
 
 
 
 
- Au: Inerte o suficiente para ser encontrado em grande abundância na forma reduzida: 
 
 
 
HNO3 não reage 
com ouro 
Grupos 11 e 12 
 
- Zn: Empregado no revestimento eletrolítico do Ferro (galvanoplastia). Extraído da Esfarelita: 
 
 
 
 
- Assim como seu vizinho Al, o Zn0 é anfotérico: 
 
 
 
 
 
- Hg: Obtido através do processamento do Cinábrio. Utilizado em termô- 
metros e antigamente em amálgamas de ouro para sua extração. 
 
 
 
 
 
- Reação com ácido? 
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Química dos Elementos: 
 
Lantanóides e Actinóides 
 
... 
Lantanóides 
Grupo conhecido mais popularmente como Terras Raras. 
- A não ser pelo Promécio (Pm), todos os elementos são 
abundantes; 
- O menos abundante, o Túlio (Tm), ainda sim tem 
abundância similar à do Iodo (0,5 ppm); 
- O Cério (Ce) é o elemento do bloco F mais abundante, 
aproximadamente a mesma abundância do Cobre na 
crosta terrestre (68 ppm). 
 
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Lantanóides 
São obtidos de duas fontes prímárias de minerais: 
- Monazita (Ln,Th)PO4: encontram-se lantanóides mais leves (Ln-Gd); 
- Xenótimo (YPO4): lantanóides mais pesados (Tb-Lu); 
 
Areia monazítica de Guarapari - ES Xenótimo 
Lantanóides e Actinóides 
A maioria dos elementos do grupo F possui estado de oxidação +3 
Configuração: [Xe] 4fn5d16s2 
- Exceções: Cério - Ce(IV) e Európio - Eu(II); 
- Implicações: Utilização de diferentes estados de oxidação para separação 
desses compostos; 
- Por apresentarem somente um estado de oxidação, a separação dos 
elementos é dificultada. 
 
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Actinóides 
Depois do Chumbo (Pb, Z = 82), nenhum elemento possui isótopo estável; 
- Exceções: Tório (Th, Z = 90) e Urânio (U, Z = 92) possuem isótopos de alta 
meia-vida; 
- Fontes de Tório: Monazita (Ln,Th)PO4 e Torita (ThSiO4); 
- Fontes de Urânio: Uranita (UO2) e Pechblenda (U3O8); 
 
U3O8 ThSiO4 
Compostos de Lantanóides 
- Ligas de Samário-Cobalto (SmCo5 e Sm2Co17): Utilizados na produção de 
ímas superpotentes; 
- Compostos de Lantanóides: marcadores ópticos luminescentes. 
 
 
In
te
n
si
d
ad
e 
Comprimento de onda Comprimento de onda 
In
te
n
si
d
ad
e
 
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Trabalhador próximo a um alto-forno, Sahaviriya Steel Industries (SSI), Redcar, Inglaterra. 
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4. Metais e Metalurgia 
Minerais e Beneficiamento 
• Com exceção do Ouro e outros metais de transição mais pesados (Ru, Rh, Pd, 
Os, Ir e Pt), os elementos metálicos se encontram na natureza na forma de 
sólidos inorgânicos, chamados de minerais: 
 
 
 
 
22 
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• Metalurgia: Ciência e tecnologia de extração de metais a partir de suas fontes 
naturais; 
 
• Etapas básicas: 
 
1. Mineração; 
2. Concentração do minério / tratamento adicional (ustulação); 
3. Redução do minério para obtenção do metal livre; 
4. Refinamento ou purificação do metal; 
5. Adição de outros elementos para modificação de propriedades 
 
 
23 
Minerais e Beneficiamento 
• Metalurgia: Ciência e tecnologia de extração de metais a partir de suas fontes 
naturais; 
 
• Etapas básicas: 
 
3. Redução do minério para obtenção do metal livre: 
 
– Pirometalurgia: utilização de altas temperaturas para obtenção do metal; 
– Hidrometalurgia: utilização de reações químicas em fase aquosa para 
obtenção do metal ou precursor purificado; 
– Eletrometalurgia: utilização de corrente elétrica para obtenção do metal 
livre. 
 
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Minerais e Beneficiamento 
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• Etapas básicas: 
 
2. Concentração do minério / tratamento adicional (ustulação) 
 
 
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Minerais e Beneficiamento 
Mineral após sua extração contém uma 
grande carga de impurezas (principalmente 
fontes de sílica e rochas). Processo de 
flotação utiliza o princípio de diferenças de 
hidrofobicidade entre os minerais e as 
impurezas quando em contato com uma 
solução de surfactante/ mistura água-óleo. 
Bolhas carregando 
partículas de minério 
Ar comprimidoPartículas de 
minério 
Mistura água-
óleo agitada 
Ganga 
Processo de Flotação para concentração 
do minério 
 
Minério: Superfície mais hidrofóbica que a das rochas e da sílica: Porção superior; 
Ganga: Porção inferior com baixa concentração de minério + impurezas. 
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- Metais podem se combinar com diferentes tipos de ânions, formando 
diferentes tipos de minerais: 
 
Fe3O4 FeCO3 FeS2 
 Magnetita Siderita Pirita 
 
- No processo de redução dos metais, a forma óxido de um metal é mais 
facilmente convertido em metal reduzido em comparação a outros ânions: 
 
– Calcinação e ustulação: tratamentos térmicos para a obtenção de óxidos 
metálicos 
 
27 
Pirometalurgia 
Calcinação: aquecimento de um minério para realizar sua decomposição com a 
eliminação de um produto volátil (normalmente CO2 ou H2O): 
 
PbCO3(s) PbO(s) + CO2(g) 
 
 
Ustulação: aquecimento de um minério em atmosfera rica em gás oxigênio para 
formação de um óxido metálico: 
 
2ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) 
 
28 
Pirometalurgia 
Δ 
Δ 
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Redução do minério: aquecimento dó óxido metálico na presença de um agente 
redutor (normalmente o CO, gerado pela combustão parcial em altas 
temperaturas do coque): 
 
ZnO(s) + CO(g) Zn(g)
* + CO2(g) 
 
 
*: Metais com baixos P.E. podem ser purificados por destilação. 
 
Óxidos de metais pouco reativos, como a Prata e o Mercúrio, se decompõe 
termicamente, produzindo seus respectivos metais reduzidos 
 
2HgO(s) 2Hg(g) + O2(g) 
 
29 
Pirometalurgia 
1100°C 
Δ 
Metal merece destaque especial no processo pirometalúrgico devido à sua grande 
importância atual. 
 
 
 
30 
Pirometalurgia do Ferro 
- Principais minérios de Ferro: 
 Hematita (Fe3O4) e Magnetita (Fe2O3). 
 
- Redução do ferro ocorre em altos-
fornos, um reator químico de 
contracorrente que funciona 
continuamente a altas temperaturas; 
 
- Principais compostos: óxidos de Fe, 
Calcário, Coque, gás Oxigênio. 
 
Dimensões do alto forno: 
60m (altura) x 14m (largura) 
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Produção do Ferro Gusa 
 
 
 
31 
Pirometalurgia do Ferro 
1: Mistura de óxidos de Fe, calcário e 
coque são despejados no topo do 
alto-forno; 
 
2: Gás oxigênio oriundo do ar 
atmosférico é injeto para dentro do 
alto forno continuamente através de 
diversos canos de suprimentos; 
 
Dimensões do alto forno: 
60m (altura) x 14m (largura) 
1 
2 
- Como as temperaturas próximas a injeção de ar atmosférico são altas, ocorre a 
formação de gás carbônico através da combustão do coque: 
 
C(s) + O2(g) CO2(g) 
 
 
- Apesar de grande a quantidade de O2 injetado, ela não é capaz de converter todo 
o coque a CO2: A temperaturas acima de 900°C, o CO2 reage com o coque: 
 
 
CO2(g) + C(s) 2CO(g) 
 
32 
Pirometalurgia do Ferro 
Δ 
Δ 
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- Processo de produção de CO é altamente exotérmico e permite atingir altas 
temperaturas: 
 
 
 
 
- A altas temperaturas, o vapor d’água presente no ar também reage com o 
coque*, formando monóxido de carbono e gás hidrogênio: 
 
 
 
 
*Adição de água no ar injetado é capaz de regular a temperatura do forno (reação endotérmica). 
33 
Pirometalurgia do Ferro 
- Próximo a região central do alto-forno, inicia-se o processo de decomposição do 
carbonato de cálcio (a) e redução do óxido de ferro por CO (b) e H2 (c) 
 
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 
 
 
 
 
 
 
 
 
- Função do CaO: formação de uma fase líquida com impurezas associadas ao 
minério (SiO2 e P4O10). 
 
 
34 
Pirometalurgia do Ferro 
Δ 
(a) 
 
 
(b) 
 
 
(c) 
 
 
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- Na região acima da injeção de ar quente, a temperatura é alta o suficiente (> 
1200°C) para a formação compostos que possuem baixo ponto de fusão: 
 
CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l) 
 
 
6CaO(s) + P4O10(s) 2Ca3(PO4)2(l) 
 
 
- Reação entre CaO e as impurezas dão origem a uma fase líquida conhecida como 
escória. 
- Antes de chegarem na região de mais alta temperatura, o ferro ainda se encontra 
na fase sólida e a escória está na fase líquida. 
 
35 
Pirometalurgia do Ferro 
Δ 
Δ 
Produção do Ferro Gusa 
 
 
 
36 
Pirometalurgia do Ferro 
3: Ao chegar na região de maior 
temperatura no alto-forno, o Ferro se 
funde (P.F. 1535 °C) ; 
 
 
4: Por ser mais denso que a escória, o 
ferro fundido se deposita na base da 
torre, enquanto a escória é removida 
por dutos laterais mais acima. 
 
Dimensões do alto forno: 
60m (altura) x 14m (largura) 
3 
4 
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- Problemas inerentes da pirometalurgia: necessidade de grandes quantidades de 
energia e poluição atmosférica; 
 
- Outras técnicas metalúrgicas podem ser aplicadas para a produção de um metal 
livre ou purificação de um minério; 
 
- Principais aplicações da hidrometalurgia: purificação do ouro metálico e 
purificação do minério de alumínio (bauxita); 
 
- Lixiviação: principal processo hidrometalúrgico, no qual apenas o composto 
desejado contendo o metal é dissolvido seletivamente. 
 
 
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Hidrometalurgia 
- Grande demanda por alumínio devido à suas boas propriedades físicas, além de 
formar materiais leves. Produção atual de 15 milhões de toneladas (1,5x1010 kg); 
 
- Principal minério de Alumínio: Bauxita (Al2O3 • xH2O, x variável); 
 
- Principais impurezas no minério: SiO2 e Fe2O3; 
 
- Processo baseia-se na solubilização apenas do minério de alumínio, permitindo a 
sua separação por métodos simples (decantação / filtração) das impurezas. 
 
 
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Hidrometalurgia do Alumínio 
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- Processo Bayer: Produção de óxido de alumínio (Al2O3) com alto grau de pureza; 
 
- 40 a 60% do minério: Bauxita 
 
- Separação do Al e impurezas: contato com uma solução a quente de NaOH (30%): 
 
 
 
- Apenas Al2O3 forma um complexo solúvel em meio básico. Redução do pH leva a 
formação do Al(OH)3, que após calcinação é convertido em Al2O3 purificado. 
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Hidrometalurgia do Alumínio 
- Muitos metais podem ser obtidos na forma livre apenas através de processos 
não espontâneos, como a eletrólise. Normalmente empregam um sal fundido para 
a produção do metal livre; 
 
- Ampla gama de metais livres, como o sódio, magnésio e alumínio não pode ser 
obtida por eletrólise da espécie em meio aquoso, uma vez que seus potenciais 
padrão de redução são mais negativos que o da água (tanto ácida quanto básica): 
 
 
 
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Eletrometalurgia 
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- Célula de Downs: Eletrólise do NaCl fundido. Utilização de CaCl2 para abaixar o 
ponto de fusão do NaCl (804°C - 600°C). Cálcio tem potencial de redução maior 
que o Sódio. 
 
 
 
 
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Eletrometalurgia do Sódio 
Eletrometalurgia do Alumínio 
Alumínio 
Obtido até 1888 pela redução do sal duplo NaCl∙AlCl3 em vácuo com 
sódio metálico por Henri Saint-Claire Deville (1854). 
 
Processo custoso: Al 1100,00 USD / kg (mais caro que a ouro). 
 
Charles Hall - Paul Héroult: Possibilidade de realizar a eletrólise da 
alumina à temperaturas muito mais baixas com criolita: 
 
P.F. da Alumina: Acima de 2000 °C 
P.F. da mistura Alumina + Criolita (Na3AlF6): 950-980 °C 
 
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- Processo Hall-Héroult: Consumo dos ânodos de grafite com o progresso da 
eletrólise. Alumínio é mais denso que a fase fundida e é coletado no fundo do 
tanque. 
 
 
 
 
43 
Eletrometalurgia do Alumínio