No Slide Title II. 2017 Shriver Cap. 10 p. 361-381 Lee Cap. 12 p. 180-201 Brown Cap. 23 p. 856-865 Atkins & Jones Cap. 14 ... HIDROMETALURGIA 14. 2017 Eletrometalurgia do ...

2017

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Parte II

2017

Shriver Cap. 10p. 361-381

Lee Cap. 12p. 180-201

Brown Cap. 23

p. 856-865

Atkins & Jones Cap. 14

p. 641 - 645

Russel v2 Cap. 21p. 1066-10721078 - 1086

Kotz Cap. 21p. 276-284

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CONFIGURAÇÃO E POSIÇÃO NA TABELA

ELEMENTOS DO GRUPO 13/ IIIA

[GÁS NOBRE] ns2 np1

B Z= 5 [He] 2s2 3p1

Al Z= 13 [He] 3s2 3p1

Ga Z= 31 [He] 4s2 4p1

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2017Grupo do Boro / 13/ IIIA

Os elementos do grupo do boro possuempropriedades bem diversificadas:

Boro é ametal;Alumínio é metal, mas exibe similaridade ao Boro;Gálio, Índio e Tálio são metais.

O estado de oxidação III é característico neste grupo,com exceção do boro e tálio.

O boro forma inúmeros compostos/cluster commenores quantidades de elétrons, assim sãochamados de “compostos deficientes em elétrons”.

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Propriedade B Al Ga In Tl

N° Atômico 5 13 31 49 81

Configuração

eletrônica[He]2s2 2p1 [He]3s2 3p1 [He]3d10 4s2

4p1 [He]4d10 5s2 5p1 [He]4f14 5d10 6s2 6p1

P. Fusão (°C) 2180 660 30 157 303,5

P. Ebulição (°C) 4000 2519 2204 2082 1457

ΔHfusão KJ/mol 50,2 10,7 5,6 3,3 4,1

1° EI1 KJ/mol 800,6 577,5 578,8 558,3 589,4

2° EI2 KJ/mol 2427 1817 1979 1821 1971

3° EI3 KJ/mol 3660 2745 2963 2704 2878

4° EI4 KJ/mol 25030 11580 6200 5200 4900

PropriedadeSemi-

condutor

metal metal Metal mole Metal mole

Fonte natural bórax bauxita Sub-produto refino da bauxita

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Ocorrência:

Boro encontrado na forma de bórax, Na2[B4O5(OH)4]·8 H2O

Alumínio encontrado na forma de bauxita, Al2O3· xH2O

Gálio, Índio e Tálio traços em resíduos de extração bauxita.

bórax

bauxita

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ALUMÍNIO

Os minerais de alumínio mais comuns são:

Bauxita: Al2O3 . n H2O

Criolita: Na3AlF3

Alumina: Al2O3

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Alumínio é o elemento de maiorinteresse comercial dentro do grupo doboro.

2013-2014 – 50,6 milhões de Toneladas

http://www.world-aluminium.org/

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http://www.world-aluminium.org/

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Aplicações do AlumínioO alumínio e seus compostos possuem uma enorme variedade de

aplicações.

As principais aplicações envolvem:

✓ Espelhos refletores.

✓ Material estrutural de automóveis, aviões e etc.

✓ Papel alumínio utilizado em alimentos/embalagens.

✓ Transmissão de corrente elétrica de alta tensão.

✓ Combustível sólido de foguetes e explosivos.

✓ Anodo de sacrifício de alguns metais.

✓ Fabricação de abrasivos (corundum, α-alumina).

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Gemas & Minerais

✓ Safira: Al2O3 com Fe3+ ou Ti3+

impurezas dão a cor azul enquanto

V3+ dá a cor violeta.

✓ Rubi: Al2O3 com impureza de Cr3+

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Camada passivanteO alumínio possui resistência a corrosão devido a passivação

pela camada protetora do seu óxido (Al2O3).

4 Al(s) + 3 O2(g) 2 Al2O3(s) ∆H˚ = – 3351 kJ

∆G˚ = – 1582 kJ/mol

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Metalurgia é o conjunto de processos que visa obter um metal a partir de

um composto químico existente na natureza, denominado de minério.

A metalurgia resulta num reação de redução (ganho de elétrons)

M+ + e- >>> M

Corrosão é o conjunto de processos que consiste em oxidar os

metais (perda de elétrons). A corrosão é o inverso da metalurgia.

M >>> M+ + e-

A solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o metal.

METALURGIA

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Hidrometalurgia do alumínio

✓ O processo de Bayer:

– O minério triturado é dissolvido em NaOH 30% (em massa) a

150 - 230C e alta pressão (30 atm para impedir a ebulição).

– Al2O3 dissolve (é anfótero):

Al2O3.H2O(s) + 2H2O(l) + 2OH-(aq) 2Al(OH)4-(aq)

– A solução de aluminato é separada através da redução do pH.

– A solução de aluminato é calcinada e reduzida para produzir o

metal.

HIDROMETALURGIA

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Eletrometalurgia do alumínio

✓ A célula de eletrólise do processo de Hall-Heroult é usada para a

produção do alumínio METÁLICO puro.

✓ O Al2O3 funde à 2000 C e não é prático fazer eletrólise no sal

fundido.

ELETROMETALURGIA

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Extração do AlumínioO mineral que se extrai o alumínio é a bauxita, no entanto,

há muitas impurezas. Adota-se o Processo Industrial Bayer.

Bauxita

Alumínio

Al

Processo Bayer

Al2O3

Impurezas:

SiO2

Fe2O3

TiO2

NaOH

1050°C

Fe2O3, SiO2 e TiO2

[Al(OH)4]-

Al2O3

insolúvel

P.F.= 2070°C

Na3[AlF6]

Criolita

P.F.= 950°C

Eletrólise

O processo consome muita energia cerca de 17-20 kWh/Kg Al

Mundialmente são recuperados cerca de 36% do alumínio produzido

O reciclo do alumínio economiza cerca de 95% da energia do processo.

Processo Hall Heroult

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Obtenção do Alumínio METÁLICO

✓O alumínio (Al) é obtido por

eletrólise da mistura de

Al2O3/Na2AlF6

✓Na2AlF6 é CRIOLITA

✓O processo é o de Hall-Heroult

✓Charles M. Hall (1863-1914)

✓Paul Heroult (1863-1914)

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Fluoreto de Alumínio

AlF

F

F

F

FF

Al

F F

F

F

F

✓ Os sais de fluoreto de alumínio

formam estruturas octaédricas através

da coordenação do Al3+ com os ânions

fluoretos.

✓ Os fluoretos de alumínio formam sais

do tipo da criolita, Na2AlF6, principal

fundente do alumínio.

✓ A criolita permite baixar a

temperatura de fusão do processo de

obtenção do alumínio de 2070 °C para

950 °C.

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Obtenção do Alumínio METÁLICO

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Obtenção do Alumínio METÁLICO

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✓ Processo de Bayer: a bauxita (~ 50 % de Al2O3) é purificada para

produzir óxido de alumínio puro.

✓ Hall-Heroult: usa o Al2O3 purificado em criolita fundida

(Na3AlF6, ponto de fusão 1012 C).

Anodo: C(s) + 2O2-(l) CO2(g) + 4e- (x 3)

Catodo: 3e- + Al3+(l) Al(l) (x 4)

✓ Os bastões de grafite são consumidos na reação.

Obtenção do Alumínio METÁLICO

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Curiosidade: Você sabia que…

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✓ Boro elementar é inerte em condições normais, exceto com F2.

✓ Em temperaturas altas reage com ametais, metais e amônia.

✓ Alumínio oxida lentamente ao ar, dissolve em ácidos e napresença de base forte (NaOH e KOH) ocorre liberação de H2. Oalumínio é usado como agente redutor de metais, como noprocesso “termita”, via obtenção de ferro.

Reatividade

Al + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2

2 Al + 2MOH + 6H2O 2M[Al(OH)4] + 3H2

M= Na, K

2 Al + Fe2O3 Al2O3 + Fe termita

anfótero

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Hidreto de Alumínio

✓ O hidreto de alumínio, AlH3, é sólido pouco reativo. Nos laboratórios usa-

se o tetra-hidroaluminato de lítio (LiAlH4), ou seja, o hidreto de lítio e

alumínio.

✓ LiAlH4 é disponível comercialmente, sendo utilizado como uma forte fonte

de hidreto e como agente redutor. O ânion AlH4- reage com cloreto de

silício na formação de silano. O hidreto (H-) migra do elemento de menor

eletronegatividade (Al) para o elemento de maior eletronegatividade (Si)

LiAlH4 + [(CH3)3NH]Cl → (CH3)3N--AlH3 + LiCl + H2

4 LiH. + AlCl3 LiAlH4 + 3 LiCl

LiAlH4 + SiCl4 → LiAlCl4 + SiH4

adutos24

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Haletos de Alumínio.

Compostos AlF3 AlCl3 AlBr3 AlI3

PF, ˚C 1290 192.4 97.8 189.4

Temp. Sublim. 1272 180 256 382

Al

Cl

ClCl

Cl

• •

••

••

••

••• •

Al

Cl

Cl

221 pm

206 pm

101Þ

118Þ

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Haletos de Alumínio, gálio e índio.

✓A rota sintética mais conveniente:

✓A síntese a partir dos elementos:

2 M(s) + 6 HCl (g) 2 MCl3 (s) + 3 H2 (g) M= Al, Ga, In

2 Al(s) + 3Br2 (g) 2 Al2Br6 (s)

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Extração dos demaisGálio, Índio e tálio são obtidos como resíduos da extração de

alumínio através da bauxita e de outros metais.

Os sais são pré-concentrados e na sequência se realiza

a eletrólise.

TálioGálio Índio

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Termite8 Al + 3 Fe3O4 4 Al2O3 + 9 Fe(l)

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