Produção de um metal. Estudo da produção de um filme de cobre através de eletrodeposição. Filipe Paulino. Francisco Alçada. João Silva.

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1 Produção de um metal Estudo da produção de um filme de cobre através de eletrodeposição Trabalho realizado por: Filipe Paulino Projeto Projecto FEUP: 2012/13 FEUP Francisco Alçada João Silva Rui Resende Tiago Gonçalves Tiago Pinto

2 1 Resumo Este relatório foi realizado no âmbito do Projecto FEUP, sendo o tema a produção de um filme de cobre através do processo de eletrodeposição. O processo de eletrodeposição permite que o cobre atinja um grau de pureza extremamente elevado, e é esta pureza que faz com que o metal possa ser utilizado nas mais diversas áreas. Com este relatório pretende-se ficar a compreender tudo o que envolve o processamento do cobre, desde a fase em que este se encontra no subsolo e é extraído até à fase em que é moldado para ter um papel importante na sociedade. Foi também com este trabalho que percebemos a enorme importância que o cobre ocupa na sociedade desde o início da civilização. Palavras chave Eletrodeposição, pureza, condutividade elétrica, resistência e ductilidade.

3 2 Índice Resumo... 1 Introdução... 3 Agradecimentos... 3 Propriedades e aplicações do cobre... 4 Propriedades físicas/químicas... 4 Aplicações... 5 Tipo e localização das minas... 6 Ocorrência... 7 Obtenção... 7 Produção de Cobre Extração Concentração Lixiviação Fundição Refinação eletrolítica Cálculos e Resultados Procedimento Conclusão Bibliografia... 16

4 3 Introdução O cobre é um metal de extrema importância para a vida moderna, contudo, este metal começou a ser utilizado à cerca de 6 mil anos atrás, para diversas aplicações que mudaram à medida em que o conhecimento sobre o metal e as necessidades do ser humano se alteravam. Foi o primeiro metal a ser usado pelo homem como substituto da pedra, na confeção de armas e ferramentas de trabalho. O cobre é um metal relativamente raro e é usado para os mais diversos fins e produtos. Desde o início em que o cobre se encontra na mina até ao ponto em que este se transforme num produto acabado, tal como fios de cobre ou tubos, é necessário que passe por várias fases e etapas. Cada processo consiste em várias etapas na qual os materiais não desejados são física ou quimicamente removidos e a concentração e pureza do cobre são progressivamente maiores. Hoje, os Estados Unidos e o Chile são os maiores produtores de cobre, seguidos pela Rússia, Canadá e China.. Agradecimentos Este trabalho não poderia ser realizado sem a preciosa ajuda da professora coordenadora Filomena Viana e o monitor Ricardo Sousa. Desta forma, gostariamos de deixar aqui o nosso agradecimento.

5 4 Propriedades e aplicações do cobre Propriedades físicas/químicas Na Tabela Periódica, o cobre com o seu número atómico 29, encontra-se no mesmo grupo do ouro e da prata, grupo 11. Situa-se também no quarto período antes do zinco e posterior ao níquel. Possui 1 ou 2 eletrões de valência. A massa volúmica do cobre é de 8,96 g/cm 3 a 20 ºC, ao qual se altera a diferentes temperaturas como, por exemplo, no estado sólido à temperatura de fusão tem uma densidade de 8,89, e no estado líquido, logo acima do ponto de fusão, uma densidade de 8,53. A tempertura de fusão é de 1083ºC e a temperatura de ebolição é de 2590ºC. [1] Apresenta uma estrutura cristalina cúbica de faces centradas. Condutividade térmica 339 W/mK. Propriedade electrica: A alta condutividade elétrica é ultrapassada pela prata e pelo ouro, que sendo materiais mais caros, tornam o cobre mais rentável na utilizaçao para o quotidiano (apesar de atualmente existirem novas alternativas como, por exemplo, a substituição por fibra ótica). Mas pequenas quantidades de outros elementos como impurezas e liga, reduzem a condutividade e os padrões para a condutividade do cobre são rigorosos. Tal como outros materiais puros, a resistencia elétrica aumenta com a temperatura. Propriedade ótica: A refletividade do cobre diminui com a diminuição do comprimento de onda e a emissividade total aumenta com temperatura. Resistência à corrosão: O cobre é um metal extremamente resistente à corrosão causada pelo contato com outros metais e factores climatéricos adversos. Aliás, é bastante grande o espólio arqueológico de objetos de cobre encontrados.

6 5 Maleabilidade/Ductilidade Normalmente, quanto mais resistentes são os metais, menor é a sua maleabilidade. No entanto, o cobre é uma excepção, pois é simultaneamente resistente e maleável. A facilidade de manuseamento e a extrema flexibilidade do cobre são características vitais na produção de certos objetos. Aplicações O cobre abrange vastas áreas tendo assim várias aplicações na vida e no dia-adia do ser humano. Uma destas áreas é a Biologia. Por exemplo, este elemento manifesta-se no metabolismo vegetal (actividade enzimática e síntese da clorofila) e no metabolismo animal (é essencial para o colagénio da pele e dos ossos e para a síntese de hemoglobina). Em excesso no corpo humano, como por exemplo, compostos como sulfato de cobre, pode provocar até a morte. Como a aplicação básica do cobre é a condução de electricidade, este pode ser utilizado em vários aparelhos eléctricos e electrónicos (por exemplo: cabos e transformados de linhas de transmissão). Também é usado no fabrico de tubos de aquecimento, telhados, cabos, etc. O cobre é também muito importante como componente de ligas, como as ligas de bronze, de latão e de alpaca. Este metal de transição é também usado na remoção de algas para purificação da água e veneno agrícola. Pode também ser utilizado na cunhagem e moedas, fabrico de medalhas, pintura dos cascos dos navios (para proteger da acção do mar), arquitectura nas coberturas e tectos ou na decoração de interiores (paredes, portas, móveis, etc).

7 6 Tipo e localização das minas Chile, Estados Unidos, Canadá, Rússia e Zâmbia são alguns dos países com as minas economicamente mais importantes, e delas saem quantidades enormes dos seus minerais, como bornite, calcopirita, cuprita, calcosita. Comercialmente, os minerais mais importantes são a calcosita, que possui 79,3% de cobre, e a calcopirita, com 34,5%. Os minérios oxidados e carbonatados mais encontrados são: - A cuprita, óxido de cobre. - Calcosita, sulfureto de cobre. Fig. 1 Tabela de principais minérios Fig. 2 Minério de cobre nativo Fig.3 - Cuprita Fig. 4 Azurita Fig.5 Malaquita

8 7 Ocorrência O cobre tem cerca de noventa por cento das reservas mundiais localizadas em quatro regiões: vertente ocidental dos Andes (Chile e Peru); montanhas Rochosas e área dos grandes lagos, nos Estados Unidos; planalto central africano (Congo e Zâmbia); escudo pré-cambriano do centro da América do Norte (Canadá e estado do Michigan, Estados Unidos). Em Portugal A Somincor - Sociedade Mineira de Neves-Corvo foi constituída em 24 de Julho de 1980, após a descoberta em 1977, de um depósito de sulfuretos maciços com quantidades significativas de metais básicos, principalmente de cobre. A Mina de Neves-Corvo situa-se no Baixo Alentejo, no bordo sul da Faixa Piritosa Ibérica. O Jazigo de Neves-Corvo é constituído por 5 massas de sulfuretos maciços: Neves, Corvo, Graça, Zambujal e Lombador. Obtenção Minas de céu aberto: Mineração a céu aberto refere-se ao método de extracção de rochas ou minerais da terra através de um poço aberto. A mineração a céu aberto é usada quando depósitos de minerais ou rochas comercialmente úteis são encontrados perto da superfície. A maioria dos minérios de sulfuretos é tomada a partir de minas a céu aberto pela perfuração e detonação de explosivos. Neste tipo de mineração, o material localizado acima do minério (camada de cobertura) é primeiro removido para expor o depósito de minério enterrado. Fig. 6 Mina de Chiqimata, Chile. Isso produz um poço que pode ter diâmetro superior a um quilometro.

9 8. As minas a céu aberto são geralmente expandidas até que o recurso mineral se esgote. Fig. 7 Mina El Chino, localizada no Novo México. Mina de cobre de céu aberto. Mina Subterrânea é o termo usado para diferenciar a mina a céu aberto dos métodos extrativos que requerem perfuração de túneis na terra (mineração subterrânea), onde os minerais ocorrem muito abaixo da superfície, e a espessura dos terrenos de cobertura é grande. A mineração subterrânea é menos comum que a mineração a céu aberto. Na mineração subterrânea, o minério de cobre é removido através de abertura de túneis ou veios e em seguida transportados. Fig. 8 Minas subterrâneas. Uma perfuratriz sendo utilizada na perfuração da rocha.

10 9 Principais Reservas Mundiais de Cobre Países Reservas (em Mil t) Representação do total (%) Chile ,6 Estados Unidos ,9 Peru ,2 China ,7 Polônia ,5 Zâmbia ,2 Rússia ,6 Brasil ,8 Outros ,5 Total Mundial ,0 Fig. 9 e 10 Extração e transporte.

11 10 Extração Produção de Cobre O cobre puro é raramente encontrado na natureza, mas é geralmente combinado com outros produtos químicos na forma de minérios de cobre. O cobre é extraído a partir de dois tipos de minérios diferentes, os minérios de sulfureto e os minérios de óxido. Os minério de sulfureto mais comuns são a calcopirite(cufes 2) e a Calcocite (Cu 2 S). Os minérios de óxido principalmente usados para produção de cobre são a Malaquita (Cu 2 CO 3) a Azurite (Cu 3 (CO 3 ) 2 (OH) 2 ). Outros minérios incluem tennantita, boronite, crisocola, e atacamita. Muitos minérios de cobre também contém quantidades significativas de ouro, prata, níquel e outros metais valiosos, assim como grandes quantidades de material comercialmente inúteis. O processo de extração do cobre a partir de minérios de cobre varia de acordo com o tipo de minério e a pureza desejada do produto final. A maioria dos minérios de sulfeto são extraídas a partir de enormes minas a céu aberto pela perfuração e detonação de explosivos. Neste tipo de exploração, o material localizado acima do minério, denominada camada de cobertura, é primeiro removido para expor o depósito de minério enterrado. Concentração Neste processo, o minério passa por várias máquinas trituradoras que reduzem o seu tamanho para que este possa ser mais facilmente trabalhado. O processo de concentração consiste em juntar ao minério previamente triturado uma mistura de água e óleo. O óleo envolve os minerais metálicos e faz com que estes subam, devido à diferença de densidades entre a água e o óleo. Os minerais são concentrados numa pasta que é cerca de 15% de cobre e os resíduos são removidos. Resíduos (restos de minério) contendo óxido de cobre são encaminhadas para os tanques de lixiviação ou são devolvidas para o terreno circundante. Assim que o cobre passa por este processo pode ser transformado em cobre puro de duas maneiras diferentes: lixiviação ou fundição.

12 11 Lixiviação A lixiviação é um processo que remove um ou mais solutos de um sólido com um líquido solvente. Este método consiste no empilhamento do minério em camadas que depois são irrigadas com uma solução de ácido sulfúrico. A solução dissolve os minerais de óxido de cobre, formando uma solução de sulfato de cobre, recolhida através do sistema de drenagem. Fig. 11 Processo de lixiviação Fundição Nesta fase o cobre passa por vários processos de fundição e purificação. Neste processo o cobre ganha uma pureza perto dos 99%. Este grau de pureza basta para muitos tipos de utilizações do cobre, no entanto, para aplicações em aparelhos elétricos e para se puder usufruir da excelente condutividade elétrica do metal, é necessário que este possua uma pureza ainda maior, uma vez que as impurezas afetam a sua condutividade. Para isso o metal ainda passará por mais um processo de refinação. Também é nesta fase que se inicia o processo de reciclagem do cobre onde este é fundido, para que possa ser novamente reutilizado.

13 12 Refinação eletrolítica O passo final é a conversão do cobre impuro ao cobre puro. O cobre impuro é colocado, como ânodo, num reservatório cheio com uma solução ácido sulfúrico e de sulfato de cobre, a qual age como um condutor elétrico entre o ânodo e o cátodo (chapa de cobre puro). Quando uma corrente elétrica passa pelo tanque, o cobre é retirado do ânodo e deposita-se no cátodo. A reação pode ser descrita pelo seguinte esquema: Reação no ânodo: Cu (impuro) Cu e Reação no cátodo: Cu e Cu (puro) ou seja: Cu (impuro) Cu (puro) Após cerca de 9-15 dias, a corrente é desligada e os cátodos são removidos. Os cátodos agora são 99,95-99,99% de cobre puro. Fig. 12 Placas de eletrodeposição

14 13 Cálculos e Resultado Massa produzida = 0,03 g Volume de Solução = 200 ml Área do catodo = 11,05 cm 2 Intensidade da corrente = 0,23 I Diferença de potencial = 0,33 V Concentração = 0,8 mol/dm 3 Volume de ácido sulfúrico = 5 ml n = n = n=0,16 c= c = c = 0,8 8,92 = V = 3,4 *10-3 V = A * Espessura Espessura = 1,5 *10-4 Fig.13 Fotografias do dia da atividade experimental.

15 14 Procedimento a) Preparar uma solução de 200 ml de sulfato de cobre (CuSO 4 ) com uma concentração de 0,6mol/L e adicionar 5 ml de H 2 SO 4 ; b) Pesar o cátodo (chapa de outro metal) e anotar o peso inicial; c) Ligar a fonte de corrente contínua; d) Regular a tensão para 1,5 V e a medir a corrente; e) Prender a lâmina de aço com a pinça do fio conector do pólo negativo; f) Mergulhar no banho eletrolítico; g) Prender o ânodo, chapa de cobre, com a pinça do fio conector do pólo positivo. Simultaneamente, ligar a fonte de alimentação e acionar o cronômetro. Anotar a intensidade da corrente, quando o indicador luminoso CC acender; h) Passados 5 minutos, parar o cronômetro, e desligar a fonte no mesmo instante. Anotar o tempo exato em segundos; i) Usando a pinça metálica, pegar a lâmina que recebeu a deposição, lavar, secar e pesar. Anotar a massa final.

16 15 Conclusão Com este trabalho, percebemos a enorme importância que o cobre ocupa na nossa sociedade. Compreendemos todos os processos envolvidos na sua extracção, produção, os custos e o tempo necessário para a sua preparação. Também ficámos a compreender o conceito de electrodeposição e todas as propriedades inerentes ao cobre. Este trabalho promoveu a nossa aprendizagem relativamente a tudo o que implica processos de extração e produção de ligas metálicas, particularmente ligas de cobre.

17 16 Bibliografia [1] West, E.G., Copper and It s Alloys, 1982, Ellis Horwood Ltd Visualizado a 12/10/2012