Produção industrial do alumínio

O alumínio apresenta características (propriedades) peculiares, é bem maleável, leve (densidade abaixo de 5g/cm3) e muito resistente à corrosão. É um dos metais mais versáteis, pois, a partir dele, pode-se confeccionar, além de panelas, o papel-alumínio (que, por ser atóxico, é utilizado para proteger alimentos), painéis coletores de energia solar e muitas outras coisas.
Sua produção - A produção de alumínio é um processo que exige tempo e consome bastante energia. O processo de produção do alumínio consiste de muitas fases. No entanto, uma vez produzido, o alumínio pode ser reciclado infinitamente, sem perder suas excelentes propriedades.
O método atualmente utilizado para a obtenção do alumínio é o da eletrólise da alumina (óxido de alumínio), que é obtida da bauxite. Um recipiente de ferro, revestido com carbono, é enchido com criolite e aquecido eletricamente até cerca de 800 ºC. Para a eletrólise, utiliza-se um conjunto de elétrodos de carbono como ânodo, enquanto que o próprio recipiente funciona como cátodo. O oxigénio libertado combina-se com o carbono do ânodo para formar dióxido de carbono, ao passo que o alumínio se deposita no fundo do recipiente. Com a adição de mais alumina, o processo é continuado, sendo o metal retirado pouco a pouco do recipiente.
Passo a passo
Aproximadamente 7 % da crosta terrestre é formada por alumínio, fazendo deste elemento químico o terceiro mais abundante na Terra, após o oxigênio e o silício. A produção de alumínio começa com a matéria-prima bauxita.

Quanta bauxita há no mundo?
As reservas de bauxita que se tem conhecimento correspondem aproximadamente a 29 bilhões de toneladas métricas. No ritmo da extração atual, essas reservas ainda durariam por mais de 100 anos.
Se incluirmos, porém, os recursos de bauxita ainda por serem descobertos, a estimativa total seria de 50 a 75 bilhões de toneladas métricas.
Tal estimativa prolongaria a vida das reservas de 250 a 340 anos.
Outros minérios de alumínio
A indústria de alumínio vem se preparando para utilizar, além da bauxita, outros minérios no futuro e já estão em andamento pesquisas sobre outros processos de extração. No futuro, pretendemos usar mais metal reciclado como, por exemplo, o provindo de construções.
Como extraímos a bauxita das minas?

Normalmente, a bauxita é coberta por uma camada de vários metros de rochas e argila, a qual tem de ser removida, para que a bauxita possa ser extraída. A seguir, a bauxita é transportada para a usina, onde é lavada e britada, antes de ser transportada para o refino.
A lama é depositada em bacias de rejeitos que, após seu uso, são cobertas e recebem o plantio de espécies nativas, para restabelecer a vegetação natural do local.

Apos a extração - O óxido de alumínio, ou alumina, como é chamado, é extraído da bauxita em refinarias e, a seguir, é utilizado para a produção do alumínio primário.
4-7 toneladas métricas de bauxita = 2 toneladas métricas de alumina = 1 tonelada métrica de alumínio.

Além da alumina, a bauxita contém sílica, óxido de ferro e dióxido de titânio. Para extrair a alumina da bauxita, emprega-se o processo Bayer. 

A alumina é separada da bauxita por meio de uma solução aquecida de soda cáustica (hidróxido de sódio) e de cal (óxido de cálcio).
A mistura é bombeada para o interior de recipientes de alta pressão e aquecida.
A soda cáustica dissolve a alumina, que se precipita da solução saturada. A alumina é, então, lavada e aquecida para a remoção da água.
O material precipitado é filtrado e lavado, para remover e recuperar a solução cáustica.
Todo o restante é eliminado por filtragem e a alumina é seca até atingir a forma de pó branco.
A maior parte das refinarias de alumina está localizada nas proximidades de minas de bauxita, ou próxima de um porto, onde a alumina pode facilmente ser transportada até as fábricas de produção de alumínio.
Aluminio primario- Os benefícios da utilização do alumínio podem superar em muito o impacto causado pela sua extração e produção. Conheça as principais etapas da produção do alumínio primário:

A produção do alumínio primário ocorre em grandes linhas de produção, onde as cubas de redução são o centro das atenções.
Aqui, o processo de redução transforma a alumina refinada em alumínio. Para tanto, necessitamos três matérias-primas:
Óxido de alumínio (alumina)
Eletricidade
Carbono
O átomo do alumínio encontrado na alumina está ligado ao oxigênio. Para que se possa produzir o alumínio, essas ligações devem ser destruídas através do processo de eletrólise.
A alumina é transportada às fábricas e, a seguir, para o interior das cubas (contentor de grande porte), onde a alumina é dissolvida em um banho eletrolítico.
A alumina possui alto ponto de fusão e é convertida através do processo de eletrólise. Nas cubas de eletrólise, uma corrente direta muito alta corre entre um polo negativo (catodo) e um polo positivo (anodo), ambos feitos de carbono. O anodo é consumido no processo à medida que reage com o oxigênio na alumina para formar gás carbônico (CO2).
O alumínio líquido resultante é retirado das cubas, utilizando-se veículos especializados, e fundido em lingotes de extrusão, lingotes de laminagem e outros tipos de lingotes, dependendo dos processos a que serão submetidos. 
Em geral, o alumínio primário é utilizado para extrusão, laminação e fundição.
Extrusão
O alumínio, através do processo de extrusão, pode ser moldado em uma infinidade de formas e ser transformado em uma grande variedade de tubos e perfis, por exemplo.
Os tarugos de alumínio são aquecidos a 500 ºC e forçados a fluir através de uma matriz (como acontece quando se aperta um tubo de pasta de dentes), formando perfis para inúmeras aplicações.

O alumínio vem substituindo o cobre como metal preferido para tubulações em trocadores de calor e condicionadores de ar.
Laminação
O alumínio pode ser processado a quente ou a frio.

O alumínio é um metal muito maleável, podendo ser laminado de 60 cm a 2-6 mm. Como produto final, as folhas de alumínio podem ter a espessura de até 0,006 mm e continuar impermeáveis à luz, aroma ou sabor. 

O alumínio, por si só, forma uma camada protetora, que o torna altamente resistente à corrosão. Há, ainda, uma série de tipos de tratamento de superfície que incrementam essas propriedades.
Fundição
As propriedades do alumínio podem ser alteradas pela adição de pequenas quantidades de outros metais, para obtenção de ligas de alumínio.
Esses metais podem aumentar a resistência, brilho e flexibilidade do alumínio, dependendo da aplicação final. Podem, ainda, torná-lo mais fácil de moldar, permitindo uma variedade infindável de produtos.
Os materiais mais comuns nas ligas de alumínio são o cobre, magnésio e silício. Para aumentar a sua qualidade, substâncias que promovem o refino dos grãos, como o estrôncio, sódio e titânio/boreto de titânio, também são adicionados em pequenas quantidades.

Produção industrial do Alumínio

O alumínio é considerado um dos metais mais versáteis,pois ele tem a ampla aplicação devido às suas propriedades, como baixa densidade, elevada resistência mecânica e à corrosão.A partir dele pode-se produzir, na indústria petroquímica e metalúrgica, em tampas de iogurte, frigideiras, papel alumínio e assim por diante.

      

• PROCESSO DE BAYER

O alumínio é produzido a partir da bauxita,que trata-se de um processo de produção difícil, pois exige um uso abundante de energia elétrica. A bauxita sofre um processo de purificação para que se possa obter a alumina (Al₂O₃) de outras substâncias, como, por exemplo, o óxido de ferro 3 (Fe₂O_3).

demonstração do processo de Bayer

No primeiro estágio inicial (digestão) envolve primeiramente a moagem da bauxita e logo em seguida a digestão com uma solução cáustica de hidróxido de sódio (NaOH).Logo em seguida encontra-se a clarificação  que é uma das etapas mais importantes do processo pois nela ocorre a separação entre as fases sólida (resíduo insolúvel) e líquida (licor).

A calcinação é a etapa final do processo, quando a alumina é lavada para remover qualquer resíduo do licor, passando pela secagem. A partir da alumina ocorre o processo de transformação da alumina em alumínio metálico,entretanto esse processo antes era realizado através da fundição da alumina a 2.000oC,o que fazia deste processo muito caro e ineficiente,em certas situações.

•   PROCESSO DE HALL-HÉROULT 

Em 1886, o americano Charles M. Hall e o francês Paul Héroult desenvolveram de modo independente um método que é usado até hoje para se produzir o alumínio a partir da alumina,através da eletrólise.

Eles descobriram que a criolita (Na₃AℓF₆) atua como fundente da alumina, ou seja,consegue baixar o ponto de fusão da alumina a cerca de 1000 ºC. Assim, o processo de Hall-Héroult consiste em colocar a mistura fundida da alumina com a criolita (Aℓ₂O₃ + Na₃AℓF₆) em um recipiente feito de ferro ou de aço,com eletrodos de carbono mergulhados nessa mistura,levando em consideração que  a mistura líquida contém os íons Aℓ³⁺_(ℓ) e O^2-_(ℓ)  livres:

O recipiente de aço atua como cátodo, onde ocorre a redução dos cátions do alumínio e a chegada de elétrons (polo negativo):

Esse alumínio formado permanece no estado líquido, porque o seu ponto de fusão é menor que o da mistura “criolita+alumina”, sendo igual a 660,37 ºC. Entretanto, visto que sua densidade é maior que a densidade da mistura, ele desce para o fundo do recipiente, onde é coletado por escoamento.Depois do precesso do produção o alumínio  fundido é colocado em moldes, nos quais se solidifica,como no caso a seguir:

Os eletrodos de carbono atuam como ânodos, polos positivos onde há a oxidação dos ânions oxigênio:

Esse gás oxigênio formado reage com o carbono do eletrodo e forma o gás carbônico (CO2(g)):

No fim se obtém a equação global do processo e sua representação:

Produção Industrial de NaOH

 

O hidróxido de sódio (NaOH), também conhecido como soda

cáustica, é um hidróxido cáustico usado em indústrias, principalmente

como base química, na fabricação de papel, tecidos, sabão, detergentes, alguns alimentos e biodiesel.

Apresenta na maioria das vezes no ambiente doméstico para a desobstrução de encanamentos e sumidouros, pois dissolve gorduras e sebos. Por outro lado é altamente corrosivo e pode produzir queimaduras, cicatrizes e cegueira devido à sua elevada reatividade. Além de corrosivo, o hidróxido de sódio também é bastante tóxico e muito solúvel em água, o que inclusive é uma dissolução que libera grande quantidade de calor, sendo um processo exotérmico e é produzido por eletrólise de uma solução aquosa de cloreto de sódio (salmoura), sendo produzido juntamente com o cloro.

O hidróxido de sódio não existe na natureza, ele é produzido industrialmente por meio de reações de eletrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio (NaCl – salmoura), conforme pode ser visto abaixo:

2 NaCl + 2 H₂O  →2 NaOH + H₂↑  + O₂↑

Processos de fabricação:

2NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2

O primeiro estágio do processo é a purificação da salmoura saturada, que então reage com a amônia gasosa. A salmoura amoniacal é carbonatada em seguida com CO2, formando NaHCO3. Este é insolúvel na salmoura por causa do efeito do íon comum, podendo ser separado por filtração. Por aquecimento à 150ºC, o bicarbonato NaHCO3 se decompõe em carbonato anidro Na2CO3 (chamado na indústriade “soda leve”, por que é um sólido com baixa densidade, 0,5g/cm³). A seguir o CO2 é removido por aquecimento da solução, sendo o gás reciclado para o processo anterior, a amônia NH3, é removida por adição de álcali (solução de cal em água), sendo reaproveitada também. A cal (CaO) é obtida por aquecimento de calcário (CaCO3), que também fornece o CO2 necessário. Quando a cal (CaO) é misturada com a água forma-se Ca(OH)2.

     NH3+ H2O + CO2  → NH4.HCO3

   NaCl + NH4.HCO3 → NaHCO3 + NH4Cl

      2NaHCO3  → (150ºC) Na2CO3 + CO2  H2O

      CaCO3 →   (1100ºC em forno de cal) CaO + CO2

      CaO + H2O → Ca(OH) 2

       2 NH4 +   Ca(OH)2 → 2 NH3 + CaCl2  + 2H2O

O processo eletrolítico, a eletrolise da salmoura foi descrita pela primeira vez por Cruickshank, mas só em 1834 Faraday desenvolveu as leis da eletrólise. Naquele tempo era muito restrito o uso da eletrólise, porque as únicas fontes de energia elétrica para realizá-las eram as baterias primárias. Essa situação mudou em 1872, quando Gramme inventou o dínamo. A primeira aparelhagem industrial a base de eletrólise foi instalada em 1891 na Alemanha, na qual uma célula eletrolítica era preenchida, eletrolisada, esvaziada, a seguir novamente enchida... E assim por diante. Tratava-se, portanto, de um processo descontinuo. Obviamente, uma célula que poderia trabalhar continuamente, sem a necessidade de ser esvaziada, produziria mais a menos custos.  Nos anos seguintes surgiram muitas patentes e desenvolvimentos, visando à exploração das possibilidades industriais da eletrólise. A primeira instalação industrial na empregar uma célula contínua de diafragma foi provavelmente aquela idealizada por Le Seur em Romford, em 1893; surgiram as células de Castner em 1896. Em todas essas células (e também em muitas células modernas) empregava-se amianto como um diafragma para separar os compartimentos do ânodo e do cátodo. Com a adição constante de salmoura, havia uma produção contínua de NaOH e Cl2.

Na mesma época, Castner e Kellne desenvolveram e patentearam versões semelhantes da célula de cátodo de mercúrio, em 1897.

Os dois tipos de células, o de diafragma e o cátodo de mercúrio, permanecem uso. Os primeiros equipamentos de eletrólise produziam cerca de 2 toneladas de cloro por dia; as instalações modernas produzem 1000 toneladas por dia.

Na Eletrólise da salmoura, ocorrem reações tanto no ânodo  como no cátodo.

Ânodo: 2Cl- → Cl2 + 2e

Cátodo: Na +e → Na

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

        Se os produtos se misturarem, ocorrem reações secundárias:

2NaOH + Cl2 → NaOCl + H2

                        ou

2OH + Cl2  →2OCl + H2

e no ânodo pode ocorrer, até certo ponto, outra reação:

4OH →2H2O +4e

   Exposição crônica:

Controle da exposição e prevenção da intoxicação

• Educação dos trabalhadores para evitarem os respingos da substância. Todos os trabalhadores expostos devem estar instruídos sobre o que fazer em acidentes, com medidas de primeiros socorros.
• Adequada ventilação nos locais onde estão presentes vapores de soda cáustica.
• Fontes de água (lava olhos e chuveiros) nos locais onde a soda cáustica é manipulada.
• Uso de equipamentos de proteção: roupa impermeável, completa proteção facial, com óculos, máscara e equipamentos para proteção respiratória provido de filtro.
• Primeiros Socorros.2.Na inalação

• Retirar imediatamente da atmosfera para local com ar fresco. Se houver tosse ou dificuldade para respirar, avaliar a presença de irritação, bronquite ou pneumonia. Administrar oxigênio a 100% e ventilação assistida, se necessário.

1.     Na inalação

·         Retirar imediatamente da atmosfera para local com ar fresco. Se houver tosse ou dificuldade para respirar, avaliar a presença de irritação, bronquite ou pneumonia. Administrar oxigênio a 100% e ventilação assistida, se necessário.

2.    Na ingestão

·         Administrar grande quantidade de leite ou água com o objetivo de diluir e atenuar a ação cáustica da substância. A seguir, administrar vinagre diluído ou suco de frutas, para complementar a neutralização. Não provocar vômitos nem realizar lavagem gástrica.

·         A avaliação endoscópica só deve ser realizada 12-24 horas após a ingestão e nos casos sintomáticos com dor e dificuldade para ingestão, para melhor avaliação da dimensão das lesões. A endoscopia antes desse período é contra-indicada, face aos riscos de perfuração.

3.    No contato com a pele

·         É primordial a remoção das roupas contaminadas. As áreas atingidas devem ser lavadas com grande quantidade de água, por 1/2 hora até o socorro médico. Tratar as queimaduras.

4.    No contato com os olhos

·         Lavagem copiosa em água corrente por, no mínimo, 30 minutos e encaminhamento ao oftalmologista.

Bibliografia

http://www.deboni.he.com.br/tq/sal/fabrisoda.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_s%C3%B3dio

http://www.mundoeducacao.com/quimica/hidroxido-sodio.htm

Pilhas de mercúrio-zinco

                A pilha alcalina de mercúrio-zinco são usadas em aparelhos elétricos e tem durabilidade longa, tendo muita utilidade nos dias de hoje, porém ainda não são totalmente satisfatórias, pois com mercúrio em sua composição, tornam-se materiais tóxicos, causando problemas ambientais.                      
As pilhas são constituídas de polos positivos e negativos, assim, respectivamente, cátodo e ânodo, formando as semirreações e reação:  

Semirreação do Ânodo: Zn(s) + 2 OH1-(aq) → ZnO(s) + 2 H2O(l) + 2e-
Semirreação do Cátodo: HgO(s) + H2O(l) + 2e- → Hg(l) + 2 OH1-(aq) 
             Reação Global: HgO(s) + Zn(s) → ZnO(s) + Hg(l)

Aspecto negativo -> Como desvantagem a pilha mercurio- zinco causa diversos problemas ambientais, tendo de ser descartadas em lugares apropriados, e não nos resíduos domésticos. Além do fato de ser prejudicial à saúde, ataca o sistema nervoso e causa doenças como a "a sindrome do chapeleiro maluco" uma doença que era muito comum naquelas pessoas que trabalhavam na manufatura de chapéus. Um metal extremamento tóxico era usado na produção dos chapéus e sem conhecimento sobre o perigo os operários inalavam o mercúrio, desenvolvendo assim a síndrome, com sintomas neurotoxicológicos como tremores, perda de coordenação, depressão, irritabilidade e ansiedade, entre outros.

Curiosidade: 

      O físico italiano, Alessandro Volta, realizou vários experimentos e notou que teoria anterior sobre pilhas (da eletricidade animal, envolvendo metais e músculos de rã), de Luigi Galvani, estava incorreta. Ele percebeu que quando a placa e o fio eram constituídos do mesmo metal, as convulsões não apareciam, mostrando que não havia fluxo de eletricidade. Assim, ele passou a defender o conceito (correto) de que a eletricidade não se originava dos músculos da rã, mas sim dos metais e que os tecidos do animal é que conduziam essa eletricidade.

       Para provar que estava correto, Volta fez um circuito formado por uma solução eletrolítica, ou seja, uma solução com íons dissolvidos, que ele chamava de condutor úmido ou condutor de segunda classe, colocados em contato com dois eletrodos metálicos. Esses últimos, Alessandro Volta designava de condutores secos ou condutores de primeira classe.

    Ele fez isso por colocar um condutor úmido (que era uma solução aquosa salina) entre dois condutores secos (que eram metais ligados por um fio condutor). Nesse momento ele observou que se despertava o fluxo elétrico. Ele passou a entender também que dependendo dos metais que ele utilizava, o fluxo da corrente poderia ser maior ou menor. Desse modo, podemos admitir que a ideia do que é uma pilha já estava sendo entendida e explicada por Volta.

      Em 1800, Volta criou a primeira pilha elétrica que passou a ser chamada de pilha de Volta, pilha Galvânica ou pilha voltaica e, ainda, “rosário”. Um esquema dessa pilha é mostrado abaixo: ele colocou um disco de cobre por cima de um disco de feltro embebido em uma solução de ácido sulfúrico e, por último, um disco de zinco; e assim sucessivamente, empilhando essas séries até formar uma grande coluna. O cobre, o feltro e o zinco tinham um furo no meio e eram enfiados numa haste horizontal, sendo assim conectados por um fio condutor.

   Esse experimento causou reviravoltas no mundo científico e a partir daí todos os aparelhos que produziam eletricidade a partir de processos químicos (ou seja, que produziam energia química em energia elétrica) passaram a ser chamados de celas voltaicas, pilhas galvânicas ou, simplesmente, pilhas.

Bibliografia: http://www.brasilescola.com/quimica/historia-das-pilhas.htm

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfjtAAH/sindrome-chapeleiro-maluco-msc-prof-m-p-cortes

                      http://www.mundoeducacao.com/quimica/pilhas-mercurio.htm

                   

Pilhas de mercúrio: praticidade e compactabilidade

O sistema de construção de pilhas de mercúrio já era conhecido desde 1884, entretanto somente em 1942 Samuel Ruben implementou a pilha balanceada de mercúrio sendo esta largamente usada durante a  Segunda Guerra Mundial, como por exemplo em detectores de metais e armamentos.Em sua composição levamos em consideração que é uma pilha alcalina, porque contém como solução eletrolítica o hidróxido de potássio (KOH(aq) ), que é uma base fortemente alcalina, que substitui o NH4Cl das pilhas secas comuns.

utilidades da pilha de mercúrio

As pilhas de mercúrio são extremamente vantajosas pois possuem a característica de poderem ser compactas,pois tanto o zinco como o óxido de mercúrio II são transformados em pó e compactados, além de possuírem uma longa vida útil, podem ser guardadas durante muito tempo.Considerando as desvantagens, podemos demonstrar os danos ambientais que essas pilhas causam, pois o mercúrio que compõe a pilha é altamente tóxico (metal pesado) e consequentemente prejudicial ao meio ambiente,pois pode contaminar o solo, águas subterrâneas, chegando até ao homem. Além disso, as pilhas de mercúrio causam doenças no sistema nervoso, nos rins, sistema respiratório, visão, e pode causar até mesmo câncer,portanto as pilhas de mercúrio não podem ser descartadas de qualquer maneira como em resíduos doméstico,a melhor alternativa para que esta não cause nenhum dano seria fazer o reprocessamento do mercúrio.

Esquema da pilha de mercúrio:

esquema da pilha de mercúrio

Esquema das reações anódicas e catódicas:

·         Ânodo (polo negativo): cápsula de zinco.

·         Cátodo (polo positivo): pasta que envolve o ânodo que contém óxido de mercúrio II (HgO (s)), no qual o mercúrio se reduz de + 2 para 0.

reações da pilha de mercúrio

O Zn se oxida e como agente redutor doa seus elétrons para o HgO que sofre uma redução,ganhando elétrons conforme mostrado nas semirreações e na reação global. 

As pilhas de mercúrio são utilizadas em relógios digitais ou de pulso, máquinas fotográficas, calculadoras, agendas eletrônicas, aparelhos auditivos entre  outros aparelhos elétricos portáteis que necessitem de uma certa compactabilidade e efetiva duração de trabalho.

Bibliografia:

http://www.brasilescola.com/quimica/pilhas-mercurio.htm

http://www.mundoeducacao.com/quimica/pilhas-mercurio.htm

http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.mundoeducacao.com/upload/conteudo/images/pilha-de-mercurio-zinco.jpg&imgrefurl=http://www.mundoeducacao.com/quimica/pilhas-mercurio.htm&h=276&w=432&sz=27&tbnid=4Ll07xGliQoN-M:&tbnh=81&tbnw=127&zoom=1&usg=__OWWgfVDWWuCYUhUF7O1GwvGNCZE=&docid=iDe7aMKlKFDYqM&sa=X&ei=5pA_UqXKLofy8ASAroGIDQ&sqi=2&ved=0CDAQ9QEwAA&dur=562