Metais e ligas metálicas

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Trabalho realizado para a disciplina de Química no 12º ano sobre metais e ligas metálicas. Nota 17.

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Metais e ligas metálicas

  1. 1. Externato Cooperativo da Benedita Ano Lectivo 2014/2015 Química – Isabel Lucas Daniela Silva nº13 e Iva Monteiro nº21 – 12ºB Metais e Ligas Metalicas
  2. 2. Índice 0. Introdução............................................................................................................................. 3 1. Cobre..................................................................................................................................... 5 1.1. História.......................................................................................................................... 5 1.2. Extração e Obtenção ..................................................................................................... 5 1.3. Principais Características............................................................................................... 6 1.4. Aplicações...................................................................................................................... 7 2. Estanho.................................................................................................................................. 8 2.1. História.......................................................................................................................... 8 2.2. Extração e Obtenção ..................................................................................................... 8 2.3. Principais Características............................................................................................... 9 2.4. Aplicações..................................................................................................................... 9 3. Bronze ................................................................................................................................. 11 3.1. História........................................................................................................................ 11 3.2. Obtenção e Produção.................................................................................................. 11 3.3. Principais Características............................................................................................. 12 3.4. Aplicações.................................................................................................................... 12 4. Ferro.................................................................................................................................... 13 4.1. História........................................................................................................................ 13 4.2. Extração e Obtenção ................................................................................................... 13 4.3. Principais Características............................................................................................. 14 4.4. Aplicações.................................................................................................................... 15 5. Aço....................................................................................................................................... 16 5.1. História........................................................................................................................ 16 5.2. Obtenção e Produção.................................................................................................. 16 5.3. Principais Características............................................................................................. 17 5.4. Aplicações.................................................................................................................... 18 6. Exploração mineira e o ambiente ....................................................................................... 20 7. Necessidade de Reciclar...................................................................................................... 22 8. Conclusão ............................................................................................................................ 23 9. Bibliografia .......................................................................................................................... 24
  3. 3. 0. Introdução A palavra «metal» deriva de métallon (que significa mina, em grego) e assume, nos nossos dias, vários significados conforme o contexto em que é utilizada. A história da Humanidade está intimamente relacionada com o aparecimento de novos materiais e novas técnicas. Os metais desempenham um papel fundamental nesta evolução histórica. Este facto não constitui admiração já que os metais constituem cerca de 80% dos elementos químicos conhecidos. No entanto, o seu uso é relativamente recente, porque, na sua maior parte, os metais não se encontram livres na natureza mas combinados com outros elementos, normalmente oxigénio ou enxofre, formando compostos de onde têm de ser extraídos. A estes compostos chamamos minérios. Em primeiro lugar é necessário definir o que são minérios e o que são minerais. Minerais são todas as substâncias naturais presentes na crosta terrestre. Por outro lado, os minérios são os minerais dos quais pode ser obtido lucro devido à sua extração. Aqui os metais podem estar na sua forma pura ou combinada, sendo a forma combinada a mais usual. São exemplos de metais puros o ouro e a platina. A tecnologia disponível para a descoberta, produção e utilização de bens minerais envolve as etapas de prospeção, pesquisa, mineração, concentração, metalurgia e transformação. Na fase de transformação são utilizados muitos processos químicos para purificar os metais pretendidos. Podem por exemplo, ser usadas a eletrólise, no caso do cobre, o refino por zona, ou ainda a destilação quando nos referimos a metais com baixo ponto de ebulição como é o caso do zinco e do magnésio. No que toca à produção de metais, utilizamos processos de pirometalurgia, ou seja, processos metalúrgicos realizados a elevadas temperaturas. Aqui efectuam-se reações de redução, sendo que esta pode ser química, para obter Titânio, por exemplo, ou eletrolítica que pode ser utilizada para obter sódio ou alumínio. A história dos metais remonta a tempos antigos, também apelidados por Idade dos Metais. A estes tempos antecedeu a Idade da Pedra. Esta por sua vez subdividia-se em três fases, a Idade da Pedra Antiga, a Idade da Pedra Intermediária e a Idade da Pedra Polida. Isto não quer dizer que não fossem conhecidos alguns metais na Idade da Pedra. Aliás, já havia conhecimento da existência de prata e ouro, apenas não eram relevantes para o ser humano pois eram elementos demasiado macios, ou seja, não podiam ser utilizados como ferramentas. Na Idade dos Metais existiram também várias subfases. Em primeiro lugar, em 7000 anos a.C. surgiu a Idade do Cobre. Foi precedida pela Idade do Bronze, cerca de 5000 anos depois. Em seguida, rondando os 1500 a.C. apareceu a Idade do Ferro, havendo a Idade do Ferro I, até 1000 a.C. e a Idade do Ferro II que terminou em 550 a.C.. Por volta do século XIV surgiu a Idade do Aço, e agora vivemos na Idade dos Novos Materiais. Por Novos Materiais designamos a
  4. 4. produção de superligas metálicas, materiais leves e resistentes para a indústria. Nesta categoria incluem-se também polímeros e biopolímeros. Apesar de tudo, poucos metais são utilizados no estado puro, dado que as respectivas propriedades não se adequam os fins em vista, recorrendo-se, por isso, às ligas metálicas. Os metais são insolúveis nos solventes líquidos comuns, mas podem dissolver-se uns nos outros. Em geral, são fundidos e depois arrefecidos, constituindo uma mistura sólida. O metal que entra em maior percentagem é considerado o solvente e os outros são solutos. Existem dois tipos de ligas metálicas, a substitucional e a intersticial. Na primeira liga, os átomos de um metal são substituídos por átomos de um metal diferente, porém isto só acontece se os raios atómicos não diferirem em mais de 15%. Temos como exemplo o latão, onde átomos de cobre são substituídos por zinco tornando o metal mais forte e duro. Por outro lado, nas ligas intersticiais os átomos de soluto de pequenas dimensões ajustam-se nos espaços vazios do solvente. Para que este fenómeno ocorra é necessário que o raio atómico do soluto tenha dimensões inferiores a pelo menos 60% do raio atómico do elemento principal. É o caso do aço, onde o carbono preenche os espaços intersticiais deixados pelo ferro. Uma das vantagens das ligas metálicas é a de se poder controlar as percentagens dos respectivos constituintes, de acordo com as propriedades desejadas. A maioria dos componentes das ligas metálicas pertence ao bloco d da tabela periódica, como, por exemplo, o ferro, o cobre, o cobalto, a prata e o mercúrio. As propriedades de uma liga metálica são diferentes das do metal puro, como por exemplo, o cobre puro é um metal muito macio, pelo que é preciso juntar-lhe outros elementos para lhe aumentar a dureza; a adição de carbono ao ferro aumenta a sua resistência mecânica; a adição do chumbo ao estanho faz diminuir o seu ponto de fusão; o crómio adicionado ao aço torna-o mais resistente à corrosão. A facilidade com que os metais formam ligas metálicas, misturando-se entre si ou com outros elementos não metálicos, deve-se à sua estrutura. As ligas mais comuns que se utilizam na indústria são as de ferro, cobre, magnésio, alumínio e chumbo. Existem ainda ligas com memória de forma que são materiais metálicos que têm a capacidade de recuperar a sua forma mesmo depois de terem sido muito deformados. Têm usos no campo da medicina, robótica e aeronáutica. Visto que os metais e as ligas fazem parte do nosso dia-a-dia, é inevitável dizer que no futuro continuaremos a necessitar deles, eventualmente melhorando-os e criando novas ligas para novas utilizações.
  5. 5. 1. Cobre 1.1. História O cobre foi o primeiro metal a ser utilizado pelo homem. Estima-se que tenha sido descoberto por volta de 9000 a.C. no Médio Oriente, mais propriamente na Suméria, actual sul do Iraque e Kuwait. Na ilha de Chipre, próxima desta zona, foi encontrada a maior fonte de cobre do mundo que remonta à cerca de 7000 anos atrás. A origem do nome deste metal vem da palavra romana cuprum, que por sua vez tinha origem da palavra cyprium, palavra romana para designar esta mesma ilha. Foram encontrados objectos deste material na Anatólia datados de 6000 a.C.. Estas civilizações conseguiram utilizar este metal pois encontravam-no na superfície terrestre junto a correntes de água, e este destacava-se pela sua tonalidade azul- esverdeada. Em 5000 a.C. já era fundido e refinado cobre originário de outros minérios, ou seja, que não se encontrava no seu estado nativo. Neste mundo antigo o cobre fazia parte da base das moedas que estavam em circulação juntamente com as moedas de ouro e de prata, sendo estas muito mais valiosas que as de cobre. Os antigos egípcios, por volta de 2400 a.C. utilizavam o cobre com fins medicinais. Inicialmente para esterilizar feridas e mais tarde para dores de cabeça e queimaduras. Os Aztecas também o utilizavam com esta função mas para curar dores de garganta, gargarejando com misturas de cobre. Na China já utilizavam o cobre à pelo menos 2000 a.C. Os Fenícios importaram cobre da Grécia o que deu origem à grande exploração mineira por parte dos gregos. 1.2. Extração e Obtenção Quando se quer fazer uma prospeção no que toca ao cobre uma observação geral deve ser feita sobre o local das jazidas deste minério. Há predominância de minérios oxidados na superfície enquanto os minérios sulfurados se encontram em profundidade. O cobre quando não está no seu estado nativo pode ser encontrado na calcopirite, CuFeS2, na cuprite, Cu2O e na malaquite, Cu2(OH)2CO3 por exemplo. Fig. 1 – Zona onde foram encontrados os primeiros vestígios de cobre Fig. 2 – Água com cobre Fig. 3 – Mina de cobre
  6. 6. Para o cobre ser extraído é necessário percorrer os seguintes passos: a) Calcinação do minério - Os minérios sofrem uma calcinação que elimina os elementos voláteis e prepara a eliminação do enxofre e do oxigénio. Obtém-se uma massa de cobre entre os 40 e os 50%. b) Fusão – A massa de cobre obtida no primeiro processo possui ainda uma elevada quantidade de impurezas. Ao colocar esta massa num forno próprio que ronda os 1200ºC, as impurezas eliminam-se por vazamento quando o forno é inclinado. No final deste processo a massa de cobre atinge uma pureza que ronda os 98%. c) Refinação no conversor– Aqui efetua-se uma refinação térmica de modo a que outros metais que sejam mais difíceis de separar se separem efetivamente. d) Refinação do cobre bruto – Do processo anterior resulta um cobre bruto com pureza acima dos 98%. Nesta fase final é efetuada uma eletrólise de modo a que o cátodo seja formado por uma fina folha de cobre puro. No final deste processo o cobre atinge uma pureza de aproximadamente 99.98%. 1.3. Principais Características O cobre, 29 Cu, tem como distribuição eletrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1 o que o localiza no 11º grupo, 4º período, bloco d, sendo assim designado como um metal de transição. Tem uma massa atómica de 63.55 e dureza de que varia entre os 2.5 e os 3 na escala de Mohs. A 25ºC está no estado sólido, tendo um ponto de fusão a rondar os 1084ºC e um ponto de ebulição de 2562ºC. Apresenta uma coloração avermelhada, brilho metálico, é maleável, ou seja, é divisível em lâminas, dúctil, ou seja, é divisível em fios, e é ainda um bom condutor elétrico e térmico, sendo apenas superado pela prata. Possui ainda uma elevada resistência à tensão física e à corrosão. Quando se juntam outros elementos ao cobre estes formam as ligas metálicas. Cada liga destas tem diferentes propriedades conforme o seu uso. Atualmente existem mais de mil tipos de ligas contendo cobre. O cobre tem números de oxidação +1, +2, +3 e +4, sendo o +2 o mais comum. Ao reagir com o ar, perde a sua cor avermelhada e passa a ficar ligeiramente violeta aquando da formação do óxido de cobre (I), Cu2O. Em seguida, forma óxido de cobre (II), CuO, de cor negra. Caso esteja Fig. 5 – Cobre no estado nativo Fig. 6 – Estátua da Liberdade pré e pós-oxidação. Fig. 4 – Eletrólise do cobre.
  7. 7. exposto a ar húmido durante longos períodos de tempo forma carbonato de cobre (II), CuCO3, com um tom esverdeado. Esta reacção pode ser observada em diversos monumentos como é o caso da Estátua da Liberdade. 1.4. Aplicações A aplicação maioritária do cobre baseia-se na sua transformação em fios e cabos para material de condução a nível industrial. Esta actividade consome aproximadamente 45% de todo o cobre utilizado mundialmente. Devido às suas principais características aliadas à sua grande resistência, fácil manuseio e soldagem é muito usado em tubagens que podem ser utilizadas em aparelhos de ar condicionado, instalações hidráulicas, redes de combate a incêndio entre outros. É também utilizado na indústria automobilística nos fios condutores, travões, radiadores e no motor. Um automóvel médio pode ter 1,5 km de fios de cobre, podendo este aumentar dependendo do tamanho do veículo. O cobre é também utilizado nos painéis solares. Existem pequenas estruturas deste metal no seu interior que ajudam a transmitir o calor pelos tubos. Para aumentar o rendimento destes painéis a estrutura assenta numa lâmina de cobre escurecida de modo a que absorva ainda mais energia. Como referido nos factos históricos deste metal, o cobre é ainda utilizado para fabricar moedas, numa liga de 75% cobre e 25% de níquel. De menor importância, o cobre está também presente em diversos objetos decorativos. Devido ao seu elevado ponto de fusão era utilizado em panelas até se saber que este poderia contaminar os alimentos. Existe também algum perigo no que toca às tubagens hidráulicas anteriormente referidas. Estas tubagens estão presentes maioritariamente em casas antigas, sendo que a água com uma quantidade de cobre superior a 1 mg/l pode contaminar roupa e objetos lavados com a mesma. Acima dos 5 mg/l a água torna-se colorida e de sabor desagradável. Fig. 7 – Tubos de cobre. Fig. 8 - Moedas de cobre.
  8. 8. 2. Estanho 2.1. História O estanho é um metal conhecido desde os primórdios das civilizações. Estima-se que os primeiros utensílios fabricados a partir de estanho remontam a 3500 a.C. Acredita-se que a exploração mineira do estanho se tenha iniciado na Cornualha e em Devon em épocas clássicas, desenvolvendo um próspero comércio deste metal com as civilizações do mediterrâneo. Os países de onde são conhecidas fontes clássicas de estanho são a Cornualha, Portugal, sul de Espanha, Nigéria, Uganda, Bohemia e Sibéria. No século XIV, o estanho começou a ser tirado de jazidas na Europa e passou a ser convertido em diversos produtos, geralmente utilitários. Até a metade do século XVII, a fabricação de estanho só cresceu por ser um metal fácil de ser trabalhado, maleável e que se funde a uma baixa temperatura. Ainda nesse período, era utilizado por artesãos-viajantes que passavam de cidade em cidade para consertar e fazer peças. 2.2. Extração e Obtenção O estanho é um mineral relativamente raro e a maior parte das reservas é de baixo teor, o que dificulta ou inviabiliza sua exploração económica. Contudo, a extração deste metal, quando em teores mais elevados é bastante simples. O principal minério do estanho é a cassiterite ou óxido de estanho, geralmente associado a granitos, no entanto, a maior parte do estanho explorável economicamente é obtido de jazidas secundárias. O método de extração dos minerais de estanho é relativamente simples, devido à simplicidade do minério, o estanho negro. Primeiramente, o minério é concentrado e separado das impurezas terrosas através de uma lavagem. Esse processo é facilmente realizado, pois o estanho tem elevado peso específico (6,8 a 7,0). O seguinte processo funciona bem para o estanho em grão, lava-se o minério triturado e por calcinação oxidante elimina-se o arsénio (Ar) e o enxofre (S). Fig. 9 – Localização da Cornualha. Fig. 10- Mina de cassiterite.
  9. 9. Usando um separador eletromagnético separa-se o tungsténio e o resíduo resultante da calcinação das pirites. A extração do estanho a partir dos concentrados de minérios é feita pela redução do minério num forno de cuba ou de revérbero. Ao aquecer-se o estanho com carvão em pedra no forno o óxido é reduzido: SnO2+2C=2CO+Sn. Retira-se o estanho metálico concentrado no fundo do forno e este é moldado em lingotes ou blocos com cerca de 9,5% do metal. A escória é retratada e o refinamento do estanho é feito a partir do aquecimento a uma temperatura ligeiramente acima da necessária para a fusão do metal, na fornalha. O estanho, por sua vez, escoa até o fundo da fornalha deixando, o que seria a escória de refino, ou impurezas metálicas oxidadas. Depois deste processo o estanho ainda pode ser purificado agitando-se o metal com um pedaço de madeira. O metal é agitado pelo borbulhamento dos gases ascendentes e isto expõe o estanho subsequentemente à ação oxidante do ar. As impurezas são retiradas na forma de espuma, porém como a escória do refino contém grande quantidade de estanho, ela é refundida com o minério. A recuperação do estanho através de chapa e aparas de outros objetos é um importante processo. 2.3. Principais Características O estanho, 50Sn, tem como distribuição eletrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3 4s2 3d10 4p6 5s1 4d4 o que o localiza no 14º grupo, 5º período, bloco p, sendo assim designado como um metal de pós transição. Encontra-se no estado sólido, é bastante resistente à corrosão e apresenta uma cor branca- prateada com um brilho característico. É um metal que atinge o seu ponto de fusão aos 505 K, ou seja, aos 231,85ºC e o seu ponto de ebulição ronda os 2875 K, sendo aos 2601,85ºC. É um metal maleável, ou seja, é divisível em lâminas; porém é pouco dúctil, é difícil ser disposto em forma de tubos maciços. É um bom condutor eléctrico e térmico. Este metal resiste à corrosão quando exposto à água do mar e água potável, porém pode ser atacado por ácidos fortes, bases e sais ácidos. O estanho age como um catalisador quando o oxigénio se encontra dissolvido, acelerando o ataque químico. Os seus números de oxidação mais comuns são o +2 e +4. É considerado como um metal semi-raro. 2.4. Aplicações Como metal puro, o estanho é usado na construção de tubos e válvulas, no fabrico de recipientes para água destilada, cerveja e bebidas carbonatadas. Pode ainda ser usado em tanques de Fig. 11 – Cubo metálico de estanho. Fig.12 – Tubos de estanho.
  10. 10. armazenamento de soluções químicas farmacêuticas, em eléctrodos de condensadores, fusíveis, munições, papel metalizado para envolver alimentos, doces ou tabaco. O pó de estanho é usado no fabrico destes papéis e de tintas e sprays. A galvanoplastia é uma importante aplicação do estanho podendo ser feita a electrodeposição em torno de peças de aço, cobre, alumínio, etc. As peças feitas de estanho têm inúmeras aplicações tais como em utensílios de cozinha, recipientes de sprays e creme para a barba, latas de tinta, componentes electrónicas, circuitos impressos, clips, pins e muitas outras coisas. Os compostos de estanho mais importantes são a cassiterite (SnO2), usada em resistências eléctricas e o óxido estanoso que se usa no fabrico de sais estanosos para galvanoplastia e como reagentes químicos. Alguns compostos orgânicos de estanho aplicam-se como fungicidas e insecticidas para a agricultura e utilizam-se para o fabrico de têxteis e papel. Apenas uma pequena percentagem de estanho passa para os alimentos nos recipientes feitos com este elemento. O máximo permitido nos alimentos é cerca de 300 mg/kg, apesar de concentrações mais elevadas não serem, em geral, prejudiciais. O estanho pode ser considerado como um elemento não tóxico. Fig. 13 – Medalhão de estanho. Fig. 14 – Antigo tacho de estanho.
  11. 11. 3. Bronze 3.1. História Acredita-se que a origem do bronze provém do Médio Oriente em torno de 3300 a.C. A “Idade do Bronze” é um período particular da história, quando o homem descobriu o bronze, uma liga formada pela junção de cobre com estanho. Não se sabe ao certo como é que os ferreiros aprenderam a produzir bronze com cobre e estanho mas terá sido provavelmente por acidente: pela contaminação de estanho em minérios de cobre. Com este novo material começaram a ser criados novos e diversos objectos. Como o bronze é mais resistente que o cobre puderam ser fabricadas novas espadas, capacetes, martelos, lanças, facas, machados e outros objectos semelhantes que anteriormente eram feitos de pedra. Esta foi uma época de uso intenso de metais e de redes de desenvolvimento do comércio. A Idade do Bronze destaca-se ainda do ponto de vista económico pela criação de modelos comerciais que abrangem áreas geográficas maiores, tendo o estanho como principal matéria-prima e de extrema importância para o fabrico de objetos metálicos. Esta circunstância, para além de levar à abertura de novas rotas comerciais, obriga ao aperfeiçoamento dos meios de transporte. As civilizações antigas utilizaram amplamente o bronze, podendo-se destacar entre elas o Egito, a Grécia e a Babilónia. O bronze teve o seu auge de utilização até 1300-700 a.C., onde a partir daí foi caracterizado pela sua presença na cremação de cadáveres. 3.2. Obtenção e Produção O bronze é uma liga de cobre com estanho sendo que a adição de estanho ao cobre aumentou consideravelmente a sua dureza. O processo de fabricação do bronze consiste em misturar um mineral de cobre, normalmente calcopirite ou malaquite com um mineral de estanho, a cassiterite num forno alimentado com carbono. Visto que o estanho é um metal semi-raro e até a cassiterite contém apenas 5% deste, e o cobre não é comum é surpreendente com aprenderam a produzir bronze. É ainda de destacar que as Fig. 15 – Espadas de bronze. Fig. 16 – Cassiterite.
  12. 12. civilizações que usaram o bronze intensamente na antiguidade esgotaram o suprimento local tendo que importar grandes quantidades de outros países. O cobre já não é um componente comum da crosta terrestre, mas o estanho o é ainda menos. Com isto, podemos concluir que o bronze é uma liga metálica rara pois os seus componentes maioritários também o são, logo não é uma liga rentável para ser utilizada no dia-a-dia. 3.3. Principais Características O bronze é uma liga metálica homogénea composta pela mistura de cobre e estanho, podendo conter também porções de outros elementos, tais como o zinco, o alumínio, o antimónio, o níquel, o fósforo e o chumbo. Quando o bronze é utilizado para fundição é constituído por 10% de estanho e 90% de cobre. Apresenta-se na forma de um metal quase dourado, é maleável e dúctil. Quando é exposto ao ar atmosférico por períodos prolongados é recoberto por uma camada castanha escura de óxidos dos metais envolvidos na sua composição. O ponto de fusão do bronze varia entre os 900ºC e os 1000 ºC. 3.4. Aplicações O bronze possui inúmeros usos, sendo os mais comuns na industrialização como a fabricação de parafusos, ferramentas, equipamentos para fábricas, aparelhos eléctricos, conexões hidráulicas, revestimento de motores e na fabricação de moedas. Nas artes plásticas, como se tem visto no decorrer da história muitos artistas plásticos têm utilizado o bronze nas suas criações, principalmente o povo do Egipto antigo e os gregos. É também usado na fabricação de instrumentos musicais e objectos de decoração em lápides para túmulos, em estátuas e em sinos de igreja. Fig. 17– Barras de bronze. Fig. 18– Medalha de bronze. Fig. 19– Estátua de bronze.
  13. 13. 4. Ferro 4.1. História Há cerca de 4500 anos o ferro utilizado pelo homem era encontrado em meteoritos recolhidos por tribos nómadas na Ásia. Como este tinha origem espacial estes povos viam o ferro como uma dádiva divina. Devido à sua beleza, maleabilidade e por ser de difícil obtenção era visto como um metal precioso e usa utilizado para adorno. Entre 3000 e 2000 a.C. foram encontradas peças de ferro na Mesopotâmia, actual Iraque, com provas de que não tinham origem em meteoritos devido à ausência de níquel. Estima-se então que a origem do ferro naquela altura possa ter vindo da obtenção do cobre através do qual o ferro fosse algum tipo de subproduto. Ao longos dos milénios, quando se descobriu como extraí-lo do seu minério este metal passou a ser utilizado com maior frequência. A regularização da exploração do ferro começou por volta de 1500 a.C. no Médio Oriente onde os fenícios o importaram e por sua vez difundiram-no por todo o Mediterrâneo. Nesta altura o ferro era muito mais valioso que o ouro. O primeiro povo a introduzir o ferro na Europa, fora do Mediterrâneo, foram os celtas. Com o ferro faziam armas para sua defesa, e consequentemente passaram a fazer outros equipamentos. A arte de trabalhar o ferro foi um marco no desenvolvimento tecnológico. Eram necessários fornos para suportarem a elevada temperatura de fusão do ferro e aí foi criada a forja catalã, que como o próprio nome indica teve origem na Catalunha, Espanha. A forja foi mais tarde substituída pelos atuais altos-fornos, mas durou até aos finais do século XIX em alguns países por toda a Europa. 4.2. Extração e Obtenção O ferro não se encontra no seu estado elementar daí ser encontrado em numerosos minerais, tais como a hematite, Fe2O3, a magnetite, Fe3O4, e a pirite, FeS2. Fig. 20 – Localização da Mesopotâmia. Fig.21 – Forja catalã.
  14. 14. Os dois primeiros são os mais adequados para a extracção de ferro. Tal como a hematite e a magnetite muitos dos minerais de ferro são óxidos. A redução destes óxidos, com maior ou menor teor de impurezas, é efetuada num alto-forno. Neste mesmo forno são adicionados o minério de ferro, juntamente com coque (carvão mineral aquecido hermeticamente a elevadas temperaturas) e calcário, fundamentalmente, carbonato de cálcio, CaCO3 através da sua parte superior. Enquanto isso, na parte inferior é introduzido ar quente. Inicialmente, os óxidos de ferro são reduzidos na parte superior do alto- forno, parcial ou totalmente, com o monóxido de carbono, produzindo ferro fundido. Em seguida o carbonato de cálcio decompõe-se termicamente, originando dióxido de carbono, CO2, e óxido de cálcio, CaO. É esta substância que vai combinar-se com as impurezas presentes no forno e irá formar a escória. A temperatura de fusão do ferro impuro é inferior à que se faz sentir no fundo do forno. Assim sendo, todo o ferro fundido descende, enquanto que a escória fica numa camada superior, sendo possível retirar ambos, como é possível verificar pela figura. Ainda assim, o ferro retirado do alto-forno pode conter ainda muitas impurezas. É possível ter até 5% de carbono bem como menores percentagens de outras substâncias como o enxofre e o silício o que o torna quebradiço e granuloso. Devido a estas características é chamado de ferro gusa. É possível retirar o carbono presente em excesso através de um forno de injecção de ar. Durante esse o oxigénio ocupa o lugar das moléculas de carbono dando novas propriedades e usos ao ferro. 4.3. Principais Características O ferro, 26 Fe, tem como distribuição eletrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s1 o que o localiza no 8º grupo, 4º período, bloco d, sendo assim designado como um metal de transição. Tem uma massa atómica de 55.58. Fig.22 – Representação do um alto-forno. Fig.23 – Cristais de ferro purificados.
  15. 15. A 25ºC está no estado sólido, tendo um ponto de fusão a rondar os 810ºC e um ponto de ebulição de 2860ºC. Apresenta uma coloração acinzentada e brilho metálico. É maleável, ou seja, é divisível em fios. Possui ainda propriedades magnéticas, daí este ser um metal ferromagnético. É ainda o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre. O ferro oxida com facilidade e apresenta normalmente +2 e +3 como números de oxidação. Os óxidos de ferro mais conhecidos são o óxido de ferro II, FeO, e o óxido de ferro III, Fe2O3. São ainda conhecidos compostos com números de oxidação superiores, +4, +5 e +6, porém são raros, sendo o ferrato de potássio, K2FeO4 um exemplo de um composto com número de oxidação do ferro +6. 4.4. Aplicações O ferro é o mais útil de todos os metais, quer em forma de ferro puro bem como os seus compostos e ligas. O sulfato de ferro II, FeSO4, é utilizado em tinturarias, e como fungicida. Tem ainda usos como suplemento nutricional, visto que é um precursor para outros compostos de ferro. O oxalato de ferro II, FeC2O4, era utilizado para revelar fotografias, enquanto a limonite e a hematite têm usos como pigmentos, adsorventes (superfícies sólidas insolúveis capazes de efetuar a adesão de moléculas na sua superfície) e abrasivos. A magnetite é utilizada no fabrico de elétrodos a nível industrial. Por fim, o hexacianoferrato II de ferro III pode ser utilizado em pinturas e corantes, sendo conhecido por azul da Prússia. É de realçar ainda a frequente aplicação de derivados de ferro como catalisadores de muitas reações, incluindo na produção do amoníaco. Fig. 24 – Azul da Prússia.
  16. 16. 5. Aço 5.1. História Tendo em conta que o aço é uma liga metálica composta por ferro e carbono este apenas teve origem muitos séculos mais tarde comparativamente com o metal que lhe dá origem. Pensa-se que tenha sido na Índia que se iniciou a produção de aço, designado por aço Wootz. O método de fabrico baseava- se no método de carbonização utilizado pelos antigos Egípcios. O aço era obtido a partir da esponja de ferro. Esta era produzida num antecessor do alto-forno. Visto que este alto- forno não era tão eficaz como os atuais, a temperatura no seu interior não permitia a fusão do ferro, assim sendo esta esponja tinha de ser martelada para que se expelissem os resíduos. 5.2. Obtenção e Produção A fabricação do aço é uma das mais importantes da indústria metalúrgica. Enquanto a produção de ferro é um processo de redução, no qual se transformam óxidos de ferro em ferro metálico, a passagem de ferro a aço é um processo de oxidação. Aqui as impurezas indesejadas são removidas do ferro por reação com o oxigénio gasoso. A este fenómeno dá-se o nome de processo de oxigénio básico. Este é o método mais utilizado pois em apenas 20 minutos é possível converter centenas de toneladas de ferro em aço. O processo do oxigénio básico funciona da seguinte forma. Em primeiro lugar o ferro fundido vindo do alto-forno é despejado para um reservatório de forma cilíndrica na sua posição vertical. Através de um tubo central insere-se oxigénio com elevada pressão sobre o metal fundido. Nestas condições as impurezas reagem com o oxigénio formando óxidos que por sua vez originarão a escória. Para existir esta passagem de óxido a escória são necessários fundentes apropriados, como é o caso do óxido de cálcio, CaO. Ocasionalmente retiram-se amostras do aço fundido. Caso este tenha a composição desejada o reservatório é rodado para uma posição horizontal para que possa ser retirado. Existe um processo designado por têmpera que consiste no aquecimento do aço durante um Fig.25 – Esponja de Ferro Fig.26 – Reservatório na posição vertical Fig. 27 – Reservatório na posição horizontal
  17. 17. curto espaço de tempo e em seguida arrefece-lo rapidamente. Este procedimento tem limites amplos entre os quais pode variar, dependendo da proporção de carbono e de outras substâncias presentes na liga. 5.3. Principais Características O aço é uma liga de ferro que contém entre 0.03 a 1.4% de carbono, além de outros elementos tais como o crómio e o tungsténio. Distingue-se do ferro fundido pois este apresenta uma maior percentagem de carbono, que pode mesmo chegar ao 6.7%. Para além disso o ferro fundido é mais difícil de ser trabalhado comparativamente ao aço. De realçar ainda que o aço pode ser reciclado. Na tabela seguinte estão presentes alguns tipos de aços e a sua composição: Segundo a sua composição química e teor de carbono as propriedades dos aços diferem, porém, em geral, todos apresentam um comportamento dúctil com uma deformação plástica, ou seja o objecto fica permanentemente deformado, e elástica, quando o objecto retorna à sua forma inicial. As deformações a que os aços estão sujeitos são a forja, a laminação e a extrusão. A plasticidade anteriormente referida permite a obtenção de peças de formas geométricas complexas com relativa facilidade. O aço apresenta também uma dureza relativamente elevada, ou seja tem capacidade de riscar outros materiais. Existem diversos tipos de aço tais como:  Carbono – Estes são os “aços comuns”. É lhes dada esta designação pois possuem por norma um maior teor de carbono comparativamente aos outros aços.  Inoxidável – Também conhecido apenas por inox, é um aço que contém crómio podendo conter também níquel e molibdénio. Apresenta propriedades superiores às dos aços comuns sendo a alta resistência à oxidação a sua Fig. 28 – Barras de aço.
  18. 18. principal vantagem. O crómio confere ainda uma excelente resistência à corrosão.  Damasco – Dá-se este nome a um aço que tenha origem em dois ou mais aços, de diferentes características, unidos pelo processo de caldeamento. Este tipo de aço apresenta diversas camadas e uma elevada flexibilidade. É de difícil obtenção o que o torna muito caro.  Rápido – Possui este nome pois é quando utilizado em ferramentas atinge elevadas velocidades de corte. É extremamente duro e resistente. Tem na sua constituição 7% de tungsténio, molibdénio e vanádio.  Temperado – Aço submetido ao processo de têmpera de modo a que tenha uma maior dureza e resistência mecânica. Pode ser produzido através de têmpera por chama, superficial ou total.  Corten – De grande uso na construção civil devido às suas propriedades anticorrosivas. Em média, é três vezes mais resistente à corrosão que um aço comum.  Arcelor – Aço plano utilizado para a indústria automóvel.  Invar – Liga à base de ferro e níquel que apresenta um baixo coeficiente de dilatação térmica.  Maraging – Este tipo de aço possui uma elevada dureza sem perder a sua maleabilidade. O principal elemento desta liga é o níquel, ocupando entre 15 a 25% da composição da mesma. Este aço não envolve reações com o carbono mas sim com outros compostos metálicos tais como o titânio e o cobalto. 5.4. Aplicações O aço é actualmente a mais importante liga metálica sendo empregue de forma intensiva em diversas áreas. A grande variedade de propriedades mecânicas associadas ao aço depende da sua composição química e dos tratamentos térmicos aos quais foi submetido. Assim sendo diferentes tipos de aços vão dar origem a diferentes produtos. No caso do aço inoxidável, este é muito utilizado em utensílios de cozinha, cutelaria e decoração, incluindo por exemplo, corrimões e outras superfícies que necessitem de estar esterilizadas o que torna fundamental alguma resistência e fácil limpeza. O aço damasco era utilizado nas espadas dos antigos samurais. Fig. 29 – Crómio. Fig. 30 – Níquel. Fig. 31 – Molibdénio. Fig. 32 – Talheres de aço inoxidável.
  19. 19. O aço rápido é muito utilizado em ferramentas de corte, como por exemplo brocas. Devido aos processos que o originam o aço temperado tem a função de suportar a tensão de cargas pesadas. Assim sendo é bastante utilizado na indústria automóvel. É bastante semelhante ao aço arcelor. O aço corten é muito utilizado em estátuas e outras estruturas que fiquem ao ar livre devido à sua resistência à corrosão. Muitas das vezes dispensa pintura, sendo característico o seu tom acastanhado originado pelo óxido de ferro. O aço invar é utilizado em inúmeras aplicações onde seja necessário que a dilatação térmica seja praticamente nula. Assim sendo está presente em aparelhos de topografia, relógios de precisão, tubos de televisão e lâminas bimetálicas para termostatos eletromecânicos. Por fim, os aços maraging têm diferentes funcionalidades. Estão presentes em sistemas de rotação de helicópteros, sistemas de transmissão de submarinos, válvulas de motores de combustão interna entre outros. Fig. 33 – Brocas de aço rápido. Fig. 34 – Estátua de aço corten.
  20. 20. 6. Exploração mineira e o ambiente A extração mineral é uma de muitas actividades humanas que têm contribuído nos últimos cem anos para a degradação ambiental, quer do local onde se encontram instaladas, quer por vezes, da região envolvente. Na actividade mineira, em particular, na subterrânea, são muitos os riscos presentes e estes, estão associados às características do material rochoso perfurado, uso de explosivos, eventual presença de gases tóxicos, presença de águas subterrâneas, o uso cada vez maior de máquinas e equipamentos, possibilidade de ocorrência de incêndios. Existe uma diferença significativa na forma como a exploração mineira era encarada antigamente e como é encarada atualmente. Começar por destacar que antes a saúde dos mineiros não era um fator a ponderar apesar de estes estarem sujeitos a poeiras tóxicas e a derrocadas todos os dias. Aliado a este facto, não existia legislação sobre a proteção do ambiente, água e solos nem gestão de resíduos. Toda a água utilizada neste processo era lançada diretamente nos rios da região. Ou seja, não havia consciência sobre os efeitos da exploração mineira nas pessoas nem na natureza. Agora, existe legislação que assegura que são tomados cuidados ambientais antes, durante e depois da exploração mineira e são programados destinos para os resíduos. Assim sendo, as empresas que exploram uma região são obrigadas por lei a recuperar as áreas exploradas após a extracção. Existem ainda limites para as descargas que podem ser efectuadas nos rios e esgotos. Foram também criadas novas ferramentas que dão mais segurança ao mineiros tais como sistemas de ventilação e a criação de lanternas de lítio, pois as antigas lanternas utilizadas pelos mineiros libertavam gás que para além de dificultar ainda mais a respiração aos trabalhadores, em certas proporções podia ser explosivo. As modificações na morfologia, a perda de solo, a inevitável perda de vegetação e as modificações na rede de drenagem causadas pela exploração e aliadas às escombreiras podem induzir, nas zonas envolventes, um aumento do risco de deslizamentos dos taludes, assim como abatimento de terrenos e aumenta da carga sólida do cursos de água. Fig. 35 – Interior de uma mina. Fig. 36 – Foto antiga que mostra mineiros a trabalhar sem segurança.
  21. 21. Um dos riscos ambientais mais preocupantes tem a ver com as escombreiras e, resultam ou resultaram duma intensa actividade mineira que contribuiu para a contaminação dos sistemas ambientais que envolvem a respectiva escombreira ou por metais pesados ou por substâncias utilizadas nos minérios. O grau de toxicidade de um metal depende de três factores. Em primeiro lugar qual é o tipo de metal em questão. Depois é necessário apurar qual o seu papel no funcionamento biológico. Por fim, é preciso aferir qual o tipo de organismos com os quais o metal irá interferir. Existem mais de cinquenta metais que podem ser considerados tóxicos, mas desses apenas 17 são comuns. Os metais mais poluentes e mais encontrados durante e após as explorações mineiras são o mercúrio, o chumbo, o arsénio, o cádmio, o selénio, o cobre, o zinco, o níquel e o cobre. A partir do momento em que estes metais entram em contacto com a água é muito difícil, se não impossível, retirá-los da mesma. Estas águas caso consumidas podem originar doenças. Existem certas espécies aquáticas que podem ser erradicadas pois não conseguem sobreviver quando o seu habitat é alterado. Isto porque para além das mudanças visíveis, estas substâncias diluídas podem alterar drasticamente o pH das águas. A contaminação por metais é particularmente importante nos casos em que ocorrem drenagens ácidas a partir de sulfuretos depositados na escombreira. A drenagem destas águas ácidas para as linhas de água, provoca a dispersão dos metais e a contaminação e acidificação das águas superficiais e dos solos. Fig. 37 – Escombreira. Fig. 37 – Lago contaminado pelas minas de S. Domingos.
  22. 22. 7. Necessidade de Reciclar Os processos utilizados para a extração dos metais são muitos dispendiosos a nível monetário, energético e ambiental. Para evitar estes elevados custos a reciclagem é a melhor opção. Para além disso, os materiais são matérias-primas não renováveis visto que estes tiveram formação há muitos milhões de anos quando a Terra se formou. Para olharmos para a reciclagem como um processo rentável e eficaz é necessário compreender o tempo de decomposição dos materiais que constituem os desperdícios. Tendo em conta o longo tempo de decomposição aliado ao longo tempo de formação dos metais, a reciclagem é sem dúvida um processo fundamental. Os metais recicláveis são classificados em três grupos distintos:  Ferrosos – contêm ferro, são baratos e reciclados em larga escala.  Não Ferrosos – nesta categoria incluem-se os metais de transição incluindo o cobre e as suas ligas. O alumínio também se considera um metal não ferroso e é ainda muito vantajoso de trabalhar com ele pois é muito fácil de se trabalhado e é pouco dispendioso. Neste metal por exemplo, apenas gasta-se 95% menos energia a recicla-lo do que se gastaria através de processos de exploração mineira. Atualmente é o material reciclado mais valioso.  Preciosos – o caso da prata e do ouro. Pensa-se que o aço tenha sido o primeiro material a ser reciclado na história. Os soldados romanos recolhiam os seus escudos, facas e espadas inutilizáveis para fazer novas armas. As ligas metálicas por outro lado são pouco susceptíveis a ser recicladas visto que com a sua reutilização a sua qualidade diminui. A reciclagem dos metais apresenta várias vantagens tais como: a) a diminuição da extração de minérios; b) uma poupança significativa de energia que por sua vez reduz o consumo de combustíveis fósseis; c) diminui a poluição e a degradação das zonas de onde o minério é explorado; d) poupa água entre outros recursos; e) dinamiza populações e cria empregos. Material Tempo de Decomposição Madeira pintada 13 anos Nylon > 30 anos Plástico >100 anos Metal > 100 anos Borracha Tempo indeterminado Vidro >1 milhão de anos
  23. 23. 8. Conclusão Ao longo dos tempos houve uma grande evolução na história dos metais. Futuramente continuaremos dependentes destes materiais. O avanço tecnológico conduz-nos a necessidades cada vez mais complexas, tanto no que toca à indústria como à sociedade, obriga a uma constante evolução dos processos industriais o que por sua vez trás consigo produtos com maior qualidade, funcionalidade e durabilidade. As ligas leves de alumínio serão ainda mais utilizadas nos automóveis e novas superligas serão criadas com as mais diferentes utilizações. Uma delas, por exemplo, será a criação de uma liga resistente à radiação o que permitirá que as centrais nucleares funcionem durante mais tempo e em segurança. Apesar de tudo, durante muitos anos o aço continuará a ser a liga com maior expressão e utilização, isto porque para além do seu baixo custo de produção, apresenta uma enorme facilidade em adaptar as suas características ao objetivo pretendido. Como vimos anteriormente, basta adicionar diferentes compostos à liga de ferro para que esta tenha propriedades distintas das iniciais. Nesta fase em que vivemos onde os recursos naturais estão em risco, a sustentabilidade ambiental é um fator a ter em conta nos materiais utilizados nas mais diferentes áreas no dia-a-dia. É essencial examinar os todos os produtos de modo a que possam ser encontradas maneiras de minimizar o seu impacto ambiental. Assim sendo, a era dos novos materiais pretende dar resposta às necessidades humanas atuais de forma sustentável. A sustentabilidade conduz-nos à necessidade de reciclar. Como é visível observar, os metais podem de facto ser reciclados apresentando benefícios tanto para o homem como para a natureza. Existe uma poupança significativa de energia e de minério. Assim sendo, poderemos continuar a usufruir dos recursos naturais, mas com moderação para que possam ser aproveitados pelas gerações futuras. É ainda necessário realçar que é preciso cuidar dos trabalhadores da exploração mineira pois durante muitos anos estiveram sujeitos a derrocadas entre outros perigos e foram longamente ignorados. As leis e normas existentes têm de ser cumpridas de modo a que tudo o que foi dito anteriormente possa ser alcançado. É necessário haver um limite entre os lucros das empresas que efetuam as explorações e as suas consequências nos locais onde atuam. Para que possamos ter um progresso sustentável é fundamental reunirmos as condições certas de modo a não comprometer o nosso destino, assim sendo a reciclagem e a renovação das áreas exploradas são fatores essenciais a manter no futuro.
  24. 24. 9. Bibliografia Apontamentos de aula http://nautilus.fis.uc.pt/personal/jcpaiva/pp2/files/curriculum/didqui1/pagina/6/1/1F/metais _e_ligas-metalicas.pdf http://pt.wikipedia.org/wiki/Sum%C3%A9ria http://www.historiazine.com/2012/04/os-sumerios.html https://www.coppermasters.com/pt/curiosities.php?iOption=1 http://henrikboden.blogspot.pt/2013_09_01_archive.html http://www.serralheriasp.com.br/Cobre.html http://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido_de_cobre_(I) http://www.alunosonline.com.br/quimica/cobre.html http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/CarlosRojas.pdf http://nautilus.fis.uc.pt/st2.5/scenes-p/elem/e02630.html http://www.brasilescola.com/quimica/aco.htm4 http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_inoxid%C3%A1vel http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_r%C3%A1pido http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_damasco http://www.mecanicaindustrial.com.br/conteudo/531-o-que-e-aco-temperado http://pt.wikipedia.org/wiki/T%C3%AAmpera_(metalurgia) http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_corten http://pt.wikipedia.org/wiki/Arcelor http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o_maraging http://pt.wikipedia.org/wiki/Invar http://www.trabalhosfeitos.com/ensaios/A%C3%A7o-Maraging/37393.html

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