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quarta-feira, 13 de agosto de 2014

ALUMÍNIO E SUAS APLICAÇÕES (ENEM)


As primeiras referências sobre o elemento químico foram feitas pelo químico francês Louis Bernard (barão Guyton de Morveou), em 1782, sobre a designação de alumine. Foi reconhecido por Oersted; em 1824 e isolado, três anos depois, pelo químico alemão Friedrich Wohler. O primeiro projeto para a produção industrializada do alumínio foi idealizado pelo químico francês Henri Saint Claire, em 1886, após a descoberta do processo eletrolítico para reduzir a alumina ao metal, feita em conjunto, pelo americano Charles Martin Hall e pelo francês Paul Louis Toussaint Heroult, que patentearam o processo. O processo Hall-Heroult e utilizado até hoje. Para a produção da alumina, primeiro passo na produção do alumínio, utiliza-se o processo Bayer, idealizado por Karl Joseph Bayer (1847-1904), que se mostra bastante flexível para utilizar os vários tipos de bauxita existentes. Alem do processo Bayer para a produção de alumina, é conhecida ainda, outros dois processos, utilizados principalmente na Rússia, China e Noruega.
Com reservas de bauxita estimadas em 25 bilhões de toneladas, o alumínio e um dos metais mais abundantes na face da terra, ficando atrás apenas do silício. O Brasil tem umas das maiores reservas de bauxita do mundo e de ótima qualidade.
bauxita , que contém óxido de alumínio hidratado (Aℓ2O3 . x H2O) e diversas impurezas.
O alumínio é obtido por meio de processos metalúrgicos. A metalurgia é uma área que estuda a transformação de minérios em metais ou em ligas metálicas. Vários metais são obtidos por esse método, tais como o cobre, o titânio, o ferro e o manganês.
No caso do alumínio, o principal minério utilizado é a bauxita , que contém óxido de alumínio hidratado (Aℓ2O3 . x H2O) e diversas impurezas.
Comparado com outros metais, o alumínio destaca-se pela sua baixa densidade. O alumínio, na sua forma pura, possui resistência mecânica, relativamente baixa. Para aumentar sua resistência mecânica, é utilizado em forma de liga com outros metais, tais como, silício, manganês, magnésio etc.
O alumínio, com seu baixo peso específico apresenta ligas com resistência superiores a do aço estrutural. Alta resistência a corrosão sob a maioria das condições de trabalho. Formação de sais incolores na superfície, sem manchar ou descolorir produtos com os quais esta em contato, tais como, tecidos na indústria têxtil e soluções na indústria química. Não produz reação tóxica. Possui boa condutividade térmica e elétrica, alta refletividade, tanto para o calor como para luz. Pode ser facilmente trabalhado em qualquer forma e aceita uma grande variedade de acabamentos superficiais.
Quando o alumínio e exposto a atmosfera, forma-se imediatamente uma fina e invisível camada de oxido, a qual protege o metal de oxidações posteriores. Essa característica de auto-proteção da ao alumínio uma elevada resistência a corrosão. A menos que seja exposto a uma substancia ou condição que destrua esta película de óxido protetivo, o metal fica completamente protegido contra a corrosão. O alumínio e altamente resistente ao tempo, mesmo em atmosferas industriais que frequentemente corroem outros metais. Os álcalis estão entre as poucas substâncias que atacam a camada de oxido e consequentemente, corroem o alumínio.
O fato de o alumínio possuir características não-tóxicas permite sua utilização em utensílios domésticos, sem qualquer efeito nocivo ao organismo humano, tendo atualmente larga utilização na indústria alimentícia. Essa mesma característica permite as folhas de alumínio serem utilizadas na embalagem de medicamentos.
A alta condutibilidade térmica do alumínio torna-o um dos metais mais importantes na fabricação de utensílios domésticos. Essa característica e um importante meio de transferência de energia térmica, tanto no aquecimento como no resfriamento. Assim, os trocadores de calor em alumínio são comuns na indústria alimentícia, química, petrolífera, aeronáutica etc. O alumínio também e um excelente refletor de energia radiante devido ao grande alcance dos comprimentos de ondas desde os raios ultravioletas, através dos espectros visíveis, até os raios infravermelhos e ondas de calor, tanto quanto ondas eletromagnéticas de rádio e radar. O alumínio tem uma refletividade acima de 80% a qual permite ampla utilização em luminárias. Coberturas de alumínio refletem uma alta porcentagem do calor do sol, tanto que edificações cobertas com esse matérias são mais frias no verão.
Pode competir com grande sucesso como material mais barato tendo um menor grau de trabalhabilidade. O metal pode ser fundido por qualquer método conhecido, pode ser laminado em qualquer espessura ate folhas mais finas que as de papel, chapas de alumínio podem ser estampadas, cunhadas repuxadas e corrugadas. O metal pode ser também forjado ou compactado. Arames de alumínio trefilado de vergalhões redondos dão origem aos fios de alumínio que, após serem encordoados, transformando-se em cabos condutores.
A chapa de alumínio devido a sua resistência a corrosão e superfície regular continua, e uma excelente base para pinturas de alta qualidade usadas na produção de chapas pintadas. O pré-tratamento químico, alem de aplicação de cura térmica da pintura de alta qualidade, assegura um acabamento sem trincas, bolhas ou desfolhamentos. Danos acidentais aos produtos feitos de chapa de alumínio pintada não ocasionarão áreas de oxidação. Em áreas altamente industrializadas pode ocorrer alguma mudança de cor devido aos contaminadores atmosféricos.
Processos de Obtenção do Alumínio Primário
Alumina
A matéria prima básica deste processo é a bauxita que contém de 50 a 60% de Al2O(alumina).
Recebimento: E a descarga da bauxita, vinda de duas procedências, Poços de Caldas e Cataguases. A descarga e feita através do "virador de vagão".
Blendagem: E a mistura das bauxitas das duas procedências, para manutenção da qualidade do processo.
Moagem e Ataque Químico: A bauxita e moída, sendo adicionados a ela durante a moagem, soda caustica e cal, sendo a soda responsável pela dissolução do hidrato d Alumínio, Al2O3.3H2O contido na bauxita, e a cal usada para eliminar as matérias orgânicas e o fósforo.
Dissilicatadores: O material moído, na forma de polpa, e bombeado para tanques onde, em estado de repouso, a sílica (areia) e separada do alumina to de sódio (soda caustica +Al2O3.3H2O).
Autoclaves: O material dos dissilicatadores e transportado para os autoclaves onde a temperatura de 145 graus e uma pressão de 7,0 KGF/cmo material e cozido, para forçar a dissolução do hidrato de alumínio na soda caustica.
Ciclonagem: Após o cozimento o material e ciclonado, ou seja, e submetido a um movimento giratório, onde as partículas pesadas, no caso a sílica, se precipitam, sendo eliminadas do material.
Decantadores: São tanques de grande diâmetro, aonde o material vindo do ciclone e colocado, sendo adicionado, aditivos para forçar a precipitação da lama, que e descarregada pelo fundo do tanque dessilicatador e bombeada para a barragem de rejeito do "Palmital". A parte liquido, chamada de alumina to de sódio, flutua dentro do tanque e através de transbordo e recolhida para passar para a etapa seguinte do processo.
Filtração: A alumina to passa por uma serie de filtros para a retirada de impurezas.
Hidrolizadores: O material, depois de filtrado, e bombeado para os tanques hidrolizadores onde permanece a uma temperatura media de 70 graus e é agitado por uma hélice existente no tanque, alem de receber também injeção de ar comprimido. Estas condições propiciam a formação de grãos de hidrato de alumínio, o Al2O3.3H2O, que são recolhidos por um sistema de filtragem a vácuo.
Lavagem: O "Hidrato" formado e lavado para a remoção da soda caustica. A água de lavagem tem a temperatura de +/- 170 graus.
Calcinação: O Hidrato, conforme a formula Al2O3.3H2O, possuo três moléculas de água, mais a umidade normal. Para a eliminação da água, e calcinando a temperatura de 900 graus, nos fornos de calcinação. O produto da calcinação, o oxido de aluminioAsAl2O3, conhecido como Alumina, e estocado em silos, de onde e transportado por caminhões para as Salas Fornos 120 kA e por sistema de "Air Lift" vai para as Salas Fornos 64 e 86kA. Junto as Salas Fornos são montadas as estações de tratamento de gases, onde alumina e colocada em contato com os gases das Salas Fornos, retendo-os na superfície das partículas. A partir daí, e chamada de alumina fluoretada, devido a grande porcentagem de gás Flúor absorvida pela alumina. O Flúor retorna ao processo, quando a alumina e introduzida no forno eletrolítico.
Eletrolise
Devido as características físico-químicos da alumina, a produção do alumínio comercialmente só e viável através da eletrolise.
A eletrolise da alumina e a decomposição da molécula Al2O3 dissolvida num meio liquido, mediante a passagem de corrente elétrica.
As etapas básicas do processo consistem na deposição da alumina em pó, numa cuba eletrolítica, onde a alumina será dissolvida numa solução (criolita), esta solução trabalha em temperaturas de 900 a 980 graus. Durante o processo ocorre a passagem de corrente elétrica a qual propicia a reação de redução.
Al2O= 2Al+++ + 3O-
Como a densidade do metal alumínio e maior que a solução eletrolítica (criolita + alumina) o alumínio e depositado na forma liquida no fundo da cuba de onde e retirado por sucção a vácuo, e colocado em cadinhos refratários (papelões) e enviado para a fundição ainda no estado liquido.
As ligas de alumínio são classificadas em trabalháveis, isto e, deformáveis a quente e a frio e ligas de fundição, as quais em razão da grande adição de elementos de liga apresentam baixa capacidade de deformação.

A transformação da alumina em alumínio metálico recebe o nome de Redução, e se realiza em cubas eletrolíticas em altas temperaturas, processo patenteado em 1886 por Hall-Heroult.
Neste processo, o alumínio se deposita no fundo da cuba, sendo extraído por sucção para cadinhos, que transferem o metal líquido à fundição para a obtenção do alumínio primário. Na forma de lingotes, vergalhões, placas e tarugos, o alumínio está pronto para a transformação em indústrias que atendem diversos setores.




Principais etapas da metalurgia do alumínio
Quando o óxido de alumínio (Aℓ2O3(s)) é separado da bauxita, seu nome passa a ser alumina
Antigamente, fazia-se o seguinte: tratava-se a alumina com ácido clorídrico, para gerar o cloreto de alumínio; que era colocado para reagir com potássio ou sódio metálicos, causando a redução do composto e originando o alumínio metálico:

Aℓ2O3(s) + 6 HCℓ(aq)→ 4 AℓCℓ3(aq) + 3 H2O(ℓ)
AℓCℓ3(aq) + 3 K(s)→ 3 KCℓ(s) + Aℓ(s)
Entretanto, esse método era muito caro e ineficiente, por isso o alumínio era considerado um metal raro.
Mas, em 1886, dois cientistas de modo separado desenvolveram o método citado acima, 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.
 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 foi colocada 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:
Equação global do processo de eletrólise do alumínio
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.
Anualmente a produção de alumínio ultrapassa 27,4 milhões de toneladas.


http://www.brasilescola.com/quimica/obtencao-aluminio-por-meio-eletrolise.htm
http://www.ebah.com.br/content/ABAAABlJQAI/aluminio

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