Metais

 

 

em minérios, como a calcopirite (CuFeS2) – Figura 5, ou na forma não combinada.Este elemento é de cor castanha-avermelhada, tem número atómico 29, raio atómico 128pm,as suas temperaturas de fusão e ebulição são 1083ºC e 2595ºC, respetivamente.

    O cobre, Cu, é um metal de transição, que pertence ao 11º grupo e ao 4º período, tem configuração eletrónica  [Ar] 3d10 4s1 e tem elevada condutividade elétrica e térmica. 

 

 

 

Obtenção/Purificação do cobre

    Uma das formas de obtenção do cobre é a calcinação da calcopirite cujo teor em cobre é de 34,6%, (Ribeiro, 2001). Numa primeira fase, produz-se sulfureto de cobre- calcocita (Cu2S) – cujo teor de cobre é 79,9%, e, posteriormente, cobre metálico. Estas reações traduzem-se nas seguintes equações:

2 CuFeS2 (s)+ 4 O2 (g)→ Cu¬¬2S(s)+ 2 FeO(s) + 4 SO2(g)

Cu2S(s)+O2(g)→ 2Cu(l)+ SO2(g)

Obtém-se, então, cobre metálico contendo diversas impurezas que pode ser purificado através da eletrólise ou da refinação por zonas.

 

A Reciclagem do Cobre

    À empresa, chegarão autorrádios com elevado teor em cobre impuro. Por isso, tal como referido, o principal objetivo não será a sua obtenção pelo processo referido anteriormente – calcinação da calcopirite – mas a sua reciclagem(purificação) para posterior venda de lingotes de cobre. 

Apesar de a empresa realizar o primeiro método ir-se-á, igualmente, abordar o segundo método de purificação do cobre.

 

1º Método: Purificação do cobre através da refinação por zonas, processo esquematizado na Figura 6.

                                                    

   

 

 Neste outro processo, cujo objetivo se assemelha à eletrólise – purificação do cobre - o metal impuro é introduzido numa bobina metálica, resistência de aquecimento que o funde, onde se desloca. À medida que o metal sai da bobina, o metal arrefece e o metal puro cristaliza. As impurezas ficam na parte líquida (fundida) do metal, funcionando como solutos. Quando a porção líquida que transporta as impurezas atinge o extremo da haste solidifica e essa zona é cortada, obtendo-se metal puro, neste caso, cobre, cuja pureza é de, aproximadamente, 99,99 % (Chang, 2008).

 

2º Método:A purificação do cobre metálico efetuada através de um processo designado eletrólise, conforme a esquematização apresentada na Figura 7.

    

                                                           

 

 

    Neste processo os elétrodos de cobre impuro e de cobre puro mergulhados numa solução de ácido sulfúrico, atuam como ânodo e cátodo, respetivamente (Figura 7). As impurezas como ferro e zinco são oxidadas no ânodoficando em solução na forma de iões, Fe2+ e Zn2+, pois E0Fe2+/Fe= -0.44V e E0Zn2+/Zn= -0.76V, valores que são inferiores ao potencial de redução padrão do Cu – E0Cu2+/Cu=0.34V – pelo que o cobre apresenta um maior poder de oxidação que estes metais, enquanto a prata e ouro não são oxidados e depositam-se no fundo do recipiente, uma vez que estes têm um poder oxidante mais elevado do que o do cobre (E0Ag+/Ag=0.80V e E0Au3+/Au=1.50V)(Chang, 2008).

 Este processo é traduzido pelas seguintes equações:

Cu(s)→ Cu¬¬2+(aq)+ 2e- (Ânodo – oxidação)

Cu2+(aq)+2e-→ Cu(s) (Cátodo – redução)

 

No processo de oxidação o cobre impuro no seu estado sólido perderá eletrões que serão captados para a formação de cobre puro, também no seu estado sólido. 

Portanto, o resultado final deste processo é transferência de cobre do ânodo para o cátodo. O cobre obtido tem uma pureza superior a 99,5 %. (Chang, 2008)

 

 

 

Alumínio

    O alumínio (Al) é o metal mais abundante e o terceiro elemento mais presente na crusta terrestre, é maleável, tem baixa densidade (2.7g/cm3), tem elevada resistência à tração, é um metal não ferroso, cujo ponto de fusão é de 660,45ºC, apresenta alta condutividade elétrica e térmica, grande resistência à corrosão. Na tabela periódica o alumínio encontra-se no 3º período e no 13º grupo, este elemento representativo tem a seguinte configuração eletrónica: [Ne] 3s2 3p1. Este metal não reage com a água como acontece com o sódio e o cálcio, devido à formação de um óxido protetor. Este metal reage com o ácido clorídrico e com bases fortes como se verifica na seguinte reação:

 

2Al (s) + 6HCl (aq)  2AlCl3 (aq) + 3H2 (g)

2Al (s) + 2NaOH (aq) + 2H2O (l)  2NaAlO2 (aq) + 3H2 (g)

 

    Quando se expõe alumínio ao ar, este metal forma facilmente o óxido Al2O3, este óxido tem uma entalpia de formação fortemente exotérmica (-1.670 KJ/mol)

4Al (s) + 3O2 (g)  2Al2O3 (s)

 

    A forma elementar deste metal não ocorre na Natureza. Para obter o alumínio é necessário recorrer a processos metalúrgicos, já que o alumínio, normalmente, está combinado com óxidos ou silicatos. O principal minério do alumínio é a bauxite (Al2O3.2H2O), mas existem outros com a ortóclase(KAlSi3O8), o berilo (Be3Al2Si6O18), a criolite (Na3AlF6) e o corindo(Al2O3). No entanto, este metal é usualmente obtido a partir debauxite, este mineral encontra-se, na maior parte das vezes, contaminada com sílica (SiO2), óxidos de ferro e óxido de titânio.

 

A obtenção do Alumínio

    Então, para a obtenção do alumínio são seguidas as seguintes etapas:

    Em primeiro lugar, o minério é aquecido em solução de hidróxido de sódio (NaOH) para transformar a sílica em silicatos solúveis:

    SiO2 (s) + 2OH- (aq) 〖SiO〗_3^(2-) (aq) + H2O (l)

    Simultaneamente, o óxido de alumínio é convertido em ião aluminato (AlO2-):

    Al2O3 (s) + 2OH- (aq)  2AlO2- (aq) + H2O (l)

    O óxido de ferro e o óxido de titânio não são afetados por este tratamento e são separados por filtração. Em seguida, a solução é tratada com ácido para precipitar o hidróxido de alumínio insolúvel:

    〖AlO〗_2^-(aq) + H3O+ (aq) Al(OH)3(s)

    Depois de filtrado, o hidróxido de alumínio é aquecido para obter o óxido de alumínio:

    2Al(OH)3 (s)  Al2O3 (s) + 3H2O (g)

    O óxido de alumínio anidro, ou corindo, é reduzido a alumínio através do processo de Hall. Neste processo considera-se uma pilha eletrolítica de Hall, que contêm uma série de ânodos de carbono. O cátodo é também constituído de carbono e é muitas vezes colocado um revestimento interior da pilha. O aspeto mais importante do processo de Hall é a utilização da criolite, Na3AlF6, como solvente para o óxido de alumínio. A mistura é eletrolisada para produzir alumínio e gás oxigénio:

    Ânodo (oxidação): 3[2O2- O2 (g) + 4 e-]

    Cátodo (redução): 4[Al3+ + 3e- Al (l)]

    Global: 2Al2O3 4Al (l) + 3O2 (g)]

    O oxigénio gasoso reage com os ânodos de carbono para formar monóxido de carbono para formar monóxido de carbono que, sendo um gás, se escapa. O alumínio líquido desce para o fundo do recipiente, donde pode ser drenado ocasionalmente durante o processo. 

 

Reciclagem do Alumínio

    Um dos metais presentes no autorrádio é o alumínio, daí a escolha do alumínio para reciclar. Quanto a este metal, é um dos materiais mais reciclados devido, principalmente, às suas propriedades que permitem que ele seja reutilizado inúmeras vezes sem perder suas características físico-químicas, e também devido ao facto de não perder o valor económico.

    Para comprovar que a reciclagem do alumínio é bastante mais económica que a produção de alumínio, decidiu-se comparar a energia consumida na produção de alumínio a partir de bauxite com aquela que se consome na reciclagem do alumínio.

 

1ºMétodo: Em primeiro lugar, é necessário calcular a energia consumida na produção de alumínio.

    Feitos os cálculos verifica-se que a quantidade de energia mínima necessária para produzir uma mole de alumínio é (594/2) 297 KJ. Contudo, este valor é o suficiente no caso de termos um sistema isolado, o que não se verifica na prática industrial.

 

2º Método: Se se optar por reciclar o alumínio, é necessário energia para aquecer o metal até ao seu ponto de fusão (660ºC) e a energia de fusão (10,7 KJ/mol), assim a energia total é igual a 26,1KJ (=15,4 KJ + 10,7 KJ)..

 

 

Comparando os dois passos, verifica-se que a energia consumida no processo de reciclagem (26.1KJ) é muito menor que a energia consumida no processo de produção de alumínio (no mínimo 297 KJ). Portanto, a reciclagem de alumínio, além de ser benéfica para o ambiente, também é viável do ponto de vista económico.

A reciclagem do alumínio traz muitasvantagens como o incentivo da reciclagem dos outros metais, a adaptabilidade a realidades diferentes, o contributo para a economia local e a poupança de matérias-primas.

 

Zinco

    

    O Zinco (Figura 8) é um elemento químico do grupo dos metais. O número atómico do Zinco é 30 e o seu símbolo químico é Zn.O ponto

    O metal zinco caracteriza-se pela facilidade de oxidação, em função do potencial de redução muito abaixo. O estado de oxidação que o Zinco apresenta é 2+. O Zinco reage com ácidos não oxidantes passando para o estado de oxidação 2+ libertando hidrogénio, e pode dissolver-se em bases e ácido acético.         As jazidas mais ricas contêm cerca de 10% de ferro e entre 40% e 50% de zinco. 

    Na Natureza o Zinco existe apenas combinado com outros elementos. Os minerais dos quais se extrai o zinco são: esfalerita e blenda (sulfetos), smithsonita (carbonato), hemimorfita (silicato) e franklinita (óxido).Estima-se que um terço do zinco consumido é reciclado.(Infopedia, 2012)

    Atualmente, o Zinco é utilizado como revestimento anti corrosão para o aço e outros metais devido à sua propriedade eletroquímica protetora contra a corrosão. Por se combinar facilmente com outros metais, o Zinco entra na constituição de muitas ligas metálicas tais como latões e bronzes e as ligas zamac. (ICZ, 2012)(FeeVale, 2012)

 

A obtenção do Zinco

    Existem diversas maneiras de obtenção do Zinco, iremos abordar duas delas: a obtenção do zinco por via seca através da redução do óxido de Zinco e a ustulação oxidante, seguida de dissolução e eletrólise.

    No primeiro processo, o óxido de zinco é obtido através da dissociação do nitrato de zinco e posteriormente é realizada a etapa de redução do óxido de Zinco por intermédio do Hidrogénio.(Villano, 2012)As equações químicas destas reações são respetivamente:

    2Zn(NO3)2 . 6H2O 2ZnO +4 NO2(g) +  O2(g) + 6H2O(l)

    2ZnO + 2H2(g)   2Zn + 2H2O(g)

    O segundo processo é baseado na transformação do mineral sulfetado que contém o Zinco (esfarelita) em óxido (ZnS+ 3/2 O_2→ZnO+SO_2), que, por sua vez, é solubilizado em uma solução de ácido sulfúrico. Esta etapa é implementada porque o sulfeto de zinco apresenta baixa solubilidade nesta solução. De seguida, como a solução obtida contém outros elementos solubilizados, faz-se uma segunda etapa, dedicada à sua purificação. Esta é realizada através de sucessivas precipitações seletivas de compostos contendo as espécies impuras. Assim, após as respetivas filtragens, obtém-se uma solução rica em zinco, a qual é submetida a uma eletrólise. O metal é obtido no cátodo através de uma reação do tipo: 〖Zn〗^(2+) (aq)+2 e^-→Zn(s)puro. Eo(Zn+2/Zn)= -0,76 V(Brocchi, 2012).

 

A Reciclagem do zinco

    De forma análoga ao que fizemos para o alumínio também comprovar-se-á a vantagem económica da reciclagem do Zinco em comparação com a sua obtenção da natureza.

 

1º Método: Calcula-se a energia consumida na produção do Zinco pelo primeiro processo mencionado anteriormente (processo que ocorre a 1073K ). Esta será calculada pela variação da energia de Gibbs:

    ∆ G° = 4460,66– 1073×953,55×〖10〗^(-3)≈3437,50 KJ

    Tal como no alumínio e no cobre, ∆Gº>0 o que significa que o processo não é espontâneo e portanto, precisa que lhe seja fornecida energia para que este ocorra.

 

2º Método: Cálculo da energia necessária na reciclagem do Zinco:

    A reciclagem do Zinco é feita de forma simples através de duas etapas. Em primeiro lugar aquecesse o zinco até ao seu ponto de fusão (419ºC=692,15K) e de seguida efetuasse a fusão do zinco. A energia total necessária para reciclar 1 mole de zinco é então de 17,3KJ.

 

Comparação dos processos

    Comparação da energia consumida na produção de zinco através da sua obtenção com a energia gasta na sua reciclagem:

(Energiaparareciclar 1 moldeZn)/(Energianecessariaparaproduzir 1 moldeZn)×100= 17,3/(4460,66/2)×100≈0,78%

 

    Conclui-se, deste modo, que a energia gasta na reciclagem do zinco é 0,78% da energia gasta na obtenção do Zinco pelos processos tradicionais, o que confirma irrefutavelmente a vantagem energética da reciclagem do Zinco.