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Universidade de Aveiro

Departamento de Química

Licenciatura em Química

Darleila Damasceno Costa

Número Mecanográfico: 70631

Níquel

Trabalho de Inorgânica II - Química do Estado Sólido

2012/2013

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ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 3

1.1 Principais Sistemas de Classificação e Designação ................................................... 4

2 PROPRIEDADES DO NÍQUEL ................................................................................... 5

2.1 Propriedades Atômicas e Físicas ................................................................................ 5

3 APLICAÇÕES ................................................................................................................ 7

3.1 Ligas de Níquel ........................................................................................................... 7

3.2 Minérios de Níquel ...................................................................................................... 10

4 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 13

REFERÊNCIAS ............................................................................................................... 14

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1. INTRODUÇÃO

O nome Níquel deriva de “kupfernickel”, referência dada a nicolita pelos

mineiros alemães quando a identificaram no século XVII. Antes da era cristã, o metal já

era utilizado. Moedas japonesas de 800 anos a.C. e gregas de 300 anos a.C. continham

níquel, acredita-se que seja uma liga natural com o cobre. Nos anos 300 ou 400 a.C.

fabricavam-se armas que possuíam ferro meteorítico, com conteúdo de níquel variando

de 5 a 15%. Em 1751, Axel Frederich Cronstedt descreveu que havia detectado níquel

metálico e, em 1755, o químico sueco Torbern Bergman confirmou seu trabalho. O

minério teve pouca importância real na economia industrial até 1820, quando Michael

Faraday, com a colaboração de seu associado Stodard, foram bem sucedidos fazendo

uma liga sintética de ferro-níquel, sendo o início da liga níquel-aço que tem uma grande

contribuição para o desenvolvimento industrial do mundo [8].

Durante o início da história da exploração do elemento, de 1850 a 1870, a

Alemanha apresentou-se como a maior produtora, enquanto que a Nova Caledônia foi o

principal provedor mundial de 1876 a 1890, período em que se formaram as primeiras

sociedades organizadas exclusivamente dedicadas a exploração e comercialização do

Níquel [3].

Em 1889, Mond desenvolveu um processo de extração de níquel, conhecido

como "Mond Carbony Proccess", permitindo a produção de uma matéria prima de

melhor qualidade. A indústria de níquel cresceu rapidamente durante o período em que

as nações européias se armaram para a Primeira Guerra Mundial. Nos Estados Unidos,

neste período, desenvolviam-se utilizações pacíficas para o Níquel e suas ligas.

Após a Primeira Guerra Mundial, a indústria de Níquel passou por um período

de dificuldade, devido aos grandes estoques criados pela demanda da guerra. Os

mercados pouco desenvolvidos, o rápido crescimento da recessão econômica em 1921 e

o Tratado Naval de Desarmamento, criaram ainda mais dificuldades [2].

Às vésperas da Segunda Guerra Mundial, o Canadá foi o principal provedor

mundial de Níquel. Com o advento da guerra, novamente o Níquel foi utilizado

extensivamente na indústria bélica. O fim da guerra em 1945 gerou nova força para a

utilização civil do Níquel. Atualmente, o Canadá é o principal país fornecedor mundial

de Níquel [2, 3].

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1.1 Principais Sistemas de Classificação e Designação

No meio industrial o níquel possui classificação por classes que são definidas de

acordo com as ligas de níquel utilizadas para cada processo e também de acordo com o

uso dessa liga na indústria. Na classe I, classificam-se os derivados de alta pureza, com

no mínimo 99% de níquel contido (níquel eletrolítico 99,9% e carbonyl pellets 99,7%)

tendo assim larga utilização em qualquer aplicação metalúrgica. A classe II é composta

pelos seus derivados com conteúdo entre 20% e 96% de níquel (ferro-níquel, matte,

óxidos e sinter de níquel), com grande utilização na fabricação de aço inoxidável e ligas

de aço [8].

Pela composição, o níquel recebe outra classificação, porém, diferentemente da

divisão por classes, estas denominações estão mais ligadas à extração e processamento

do minério de níquel, em que são denominados sulfetados e lateríticos.

Os minérios sulfetados possuem em sua composição, além do níquel, sulfetos

de cobre, cobalto e ferro, assim como alguns metais valiosos (platina, prata e ouro) e

enxofre, utilizado para a produção de ácido sulfúrico. Originados em camadas

subterrâneas abaixo da região saprolítica, os depósitos de minério sulfetado

correspondem atualmente a cerca de 20% das reservas de níquel do ocidente, sendo

principalmente encontrados na Austrália, seguidos por Canadá, China, África do Sul e

Zimbábue. Cerca de 55% da produção total de níquel é oriunda dos minérios sulfetados.

Recentemente foi descoberto um importante novo depósito de minério sulfetado em

Voisey Bay, no estado de Labrador, Canadá [8].

Quanto ao minério laterítico, sua ocorrência se dá numa região mais superficial,

mais especificamente a saprolítica. Seus depósitos, situados principalmente no Brasil,

Cuba, Austrália, Indonésia, Nova Caledônia e Filipinas, possuem teores médios de

níquel em torno de 1,95% e teores de óxido de ferro acima de 24%, além da presença de

cobalto e magnésio.

Vários especialistas têm apontado a necessidade de desenvolver as

possibilidades de exploração das reservas de minério laterítico, visando o atendimento à

demanda futura e a redução dos custos de produção do metal [8,2].

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2. PROPRIEDADES DO NÍQUEL

Possui símbolo químico Ni, Número Atômico: 28, é um metal de transição,

sólido, possui ponto de fusão (PF): 1728 K e ponto de ebulição (PE): 3186 K, pertence

ao grupo X da tabela periódica. Destaca-se pelo seu magnetismo, que o transforma em

um imã em contato com campos magnéticos.

Pertence à família dos metais de transição, é condutor de eletricidade e calor,

dúctil e maleável, porém não pode ser laminado, polido ou forjado facilmente, possui

brilho metálico, é prateado, magnético, resistente à oxidação [7].

2.1 Propriedades Atômicas e Físicas

O níquel é um metal prateado-esbranquiçado com laivos de dourado que suporta

um alto nível de polimento. O níquel metálico é um material ferromagnético à

temperatura ambiente. A sua temperatura de Curie é de 355ºC (isto é, o níquel é não-

magnético acima deste valor). A unidade celular da estrutura cristalina do níquel é do

tipo Cúbico de Faces Centradas, apresentando um parâmetro cristalino com 0,352 nm

que lhe dá um raio atómico de 0,124 nm. Possui número de coordenação 12. A Figura 1

mostra a unidade celular da estrutura cristalina do níquel [5].

A configuração electrónica dos átomos de níquel é [Ar] 3d8 4s

2 (o símbolo Ar

refere-se a uma estrutura de núcleo semelhante à do Árgon).

Figura 1: Unidade celular da estrutura cristalina do níquel.

A aresta da estrutura Cúbica de Faces Centradas é

a2

+ a2

= (4R)2

2 a2

= 16 R2

a2 =

16/2 R2

a2 =

8 R2

a=

2R (2)

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Numa célula unitária cada átomo do vértice é partilhado entre 8 células unitárias

e os átomos das faces são partilhados entre duas células unitárias . Existem 4 átomos

por célula unitária, onde:

8 x 1/8 + 6 x ½ = 4 átomos

A Figura 2 relaciona o parâmetro da rede a, com o raio metálico, r. Uma vez que

os átomos dos vértices estão em contato pontual com o átomo do centro de cada face, a

diagonal da face é igual a 4r .

Figura 2: Relaciona parâmetro da rede a com raio metálico r.

O fator de empacotamento é definido como sendo a relação entre o volume

ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária. Como o níquel possui estrutura

cúbica de corpo centrado, o número de átomos que estão efetivamente em uma célula

cúbica de face centrada é resultado da soma dos átomos presentes em seus vértices,

mais aqueles localizados em suas faces.

Fator de Empacotamento

O fator de empacotamento indica que apenas 74% da célula unitária é ocupada

por átomos e o restante é espaço intersticial.

3. APLICAÇÕES

O níquel é usado na fabricação de aço inoxidável, também pode ser encontrado

em baterias de celular, em bijuterias, botões de roupa e moedas. A bateria de níquel

cádmio (também conhecida por NiCd) foi o segundo tipo de pilha ou bateria

recarregável a ser desenvolvida.

A distribuição em forma metálica do níquel puro é apenas 10% de sua produção

total, sendo que, substancialmente, 90% é distribuída em forma de elemento de liga de

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mais de 3000 ligas diferentes, sendo que 11% da produção total são as chamadas ligas a

base de níquel. A utilização final do Níquel em forma de ligas, pode ser dividida em

quatro grandes setores: comercial, industrial, construção e transporte [2, 8].

Existem muitos pontos favoráveis que dirigem o crescimento da utilização do

Níquel e suas ligas para os anos futuros, tais como: proteção ambiental, eficiência e

segurança, aumento da eficiência da produção e reduzido custo de manutenção.

As ligas a base de níquel, podem ser classificadas em grupos, incluindo o

próprio Níquel, nos quais os maiores constituintes estão em um nível superior a 10%,

são a maioria delas: Níquel, Níquel-Cobre, Níquel-Ferro, Níquel-Cromo, Níquel-

Molibdêmo, Níquel-Ferro-Cobalto, Níquel-Cromo-Cobalto, Níquel-Cromo-Ferro e

Níquel-Cromo-Molibdênio [2].

A aplicabilidade do níquel para ligas envolve seu elevado ponto de fusão (1728

K), adequada resistência a corrosão e capacidade de dissolver, de maneira limitada,

certo número de elementos metálicos, que servem para reforçar ou melhorar suas

propriedades à corrosão e a altas temperaturas.

Outras aplicações do níquel podem ser destacadas, tais como, o níquel

Granulado, serve como catalisador para a hidrogenação de óleos vegetais. A

eletrodeposição do níquel dá uma eficiente proteção anticorrosiva a peças de aço, é

utilizado também em ligas para ímãs permanentes [5,6].

3.1 Ligas de Níquel

As ligas são materiais que possuem propriedades metálicas, compostos por dois

ou mais elementos, sendo pelo menos o maior constituinte deles, um metal.

Normalmente as ligas são criadas para modificar ou acrescentar propriedades diferentes

das propriedades dos metais que a formam [1].

As ligas metálicas formam-se através de alterações na estrutura do metal

principal, que é normalmente um metal de transição. As alterações que ocorrem na

estrutura do metal principal são normalmente alterações por substituição de átomos de

outros elementos (Figura 3). Esse tipo de liga ocorre quando os átomos dos elementos

possuem dimensões semelhantes, estruturas eletrônicas similares ou a mesma estrutura

cristalina.

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Figura 3: Exemplo de uma liga metálica substitucional, a liga de Cobre e Níquel, onde os átomos de

cobre substituem as posições atômicas dos átomos de níquel.

Por outro lado, quando os raios atômicos são muito diferentes, os átomos

menores ocupam os intervalos entre os átomos maiores, formando a liga metálica

intersticial.

Figura 4: Comparação entre uma liga metálica substitucional e uma liga metálica intersticial

Níquel -cobre: (Monel)

Monel é a denominação de um conjunto de ligas metálicas de alta resistência

mecânica e alta resistência à corrosão atmosférica, aos ácidos e álcalis e à água salgada.

Têm ponto de fusão bastante elevado, por volta de 2.400°C.

São basicamente ligas de 65-70% Ni (níquel) e 20-30% Cu (cobre), com adição

de diversos outros elementos, como ferro, manganês, silício, enxofre, titânio e alumínio,

dependendo das propriedades necessárias.

As ligas Monel são utilizadas em substituição aos aços inox em inúmeras

aplicações na indústria química, indústria petrolífera, construção naval, etc.

Ligas de Níquel- cromo (Nicromo)

Nicromo é o nome dado a diversas ligas baseadas em Ni (Níquel) e Cr (Cromo)

utilizadas na produção de fios para fabricação de resistências elétricas. São ligas de alta

resistividade, próxima a 1,0Ω.mm2/m, e podem trabalhar em temperaturas elevadas, na

faixa de 1000 -1150 °C. Têm também boa resistência mecânica e boa estabilidade com a

temperatura.

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Podem conter 15%-25% Cr, 19-80% Ni, sendo o restante normalmente

composto por Fe (Ferro). Por suas excelentes características e seu baixo custo, as ligas

Nicromo são as mais usadas como resistências de aquecimento em eletrodomésticos,

tais como chuveiros elétricos, torradeiras, ferros de passar, etc.

Níquel-Titânio (Nitinol)

O Nitinol é uma liga com 45% de Ti e 55% de Ni, amplamente utilizada em

implantes cardíacos, instrumentos cirúrgicos, devido a suas propriedades de

superelasticidade e efeito de memória. Com relação à estrutura cristalina tem-se o

níquel com estrutura cúbica de face centrada (CFC), sendo uma característica marcante

sua alta estabilidade nessa fase, e o titânio com estrutura cúbica de corpo centrado

(CCC). A liga de Ni-Ti é caracterizada por uma solução sólida substitucional, onde os

átomos compartilham uma única rede comum de posições atômicas [7]

Essa liga metálica tem uma propriedade muito especial, tendo em vista que os

átomos se arranjam de duas formas diferentes, onde uma forma é quando ela está em

uma temperatura bastante elevada, e outra quando está em uma temperatura baixa.

Quando está frio, o nitinol fica maleável e quando está quente os átomo se organizam de

uma forma completamente diferente, fazendo com que ele fique mais rígido, o que pode

lembrar um formato programado anteriormente quando é esquentado. Essa propriedade

é denominada de memória de forma [4] .

As ligas com memória de forma, são materiais metálicos que têm a capacidade

de recuperar a sua forma mesmo depois de severamente deformados. Estes materiais são

constituídos por duas fases sólidas distintas com estruturas cristalinas diferentes, onde

uma é a Austenite e a outra é a Martensite. A fase austenite possui estrutura cúbica de

corpo centrado (CCC), ocorre em altas temperaturas, baixas tensões e apresenta menor

elasticidade que a fase martensite. Esta última apresenta uma estrutura monoclínica,

triclínica ou hexagonal, se forma em baixas temperaturas, flexível e facilmente

deformável e apresenta estrutura com pouca simetria [4 ].

Na Figura 5 é possível visualizar a conformação atômica das fases austenítica e

martensíticas.

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3.2 Minérios de Níquel

Os principais minérios de níquel são os sulfuretos, os silicatos e os arsenetos.

Nos sulfuretos destacam-se a pentlandita, a milerite, a polidinite e a siegenite, que se

encontram no Canadá, na ex-URSS, na Nova Calcedônia, em Cuba e no E.U.A. Os

silicatos garnierite e limonite niquelífera encontram-se sobretudo no Canadá (Sudbury),

ex-URSS, África do Sul, Finlândia e E.U.A. (Minnesota). Dentre os arsenetos

salientam-se a nicolite, a gersdorfite, a cloantite e a anabergite.

A pentlandita (Fe,Ni)9S8, a garnierita (Mg,Ni)6Si4O10(OH)8 e a nicolita (NiAs)

são uns dos minerais mais empregados para a extração desse metal.

Pentlandita – (Fe,Ni)9S8

A pentlandita é um mineral da classe dos minerais sulfuros, membro do

chamado grupo da pentlandita. Foi descrita em 1856 por J. B. Pentland no município de

Sør-Fron, na província de Oppland (Noruega). O mineral recebeu então o nome de seu

descobridor. Alguns sinônimos pouco usados para este mineral podem ser: folgerita,

lillehammerita ou nicopirita. São descritas abaixo a imagem da pentlandita e algumas

propriedades físicas deste mineral.

Dureza: 3,5 – 4,0

Peso específico: 4,6 – 6,0

Brilho: metálico

Cor: bronze amarelado

Traço: marrom claro

Figura 6: Ilustra a Pentlandita

Figura 5: Conformação atômica das fases martensite e austenite

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Em relação à composição e estrutura, (Fe,Ni)9S8, geralmente a razão Fe:Ni é

próxima de 1:1. Geralmente contém pequenas quantidades de Cobalto. A estrutura da

pentlandita é muito complicada, trata-se de uma estrutura cúbica de face centrada, onde

os átomos metálicos estão em coordenação octaédrica e tetraédrica com S. Pura

(Fe,Ni)9S8 sem Cobalto é estável até 610 ºC no sistema Fe-Ni-S. Pentlandita com até

40,8 % de Cobalto é estável até 746 ºC. Geralmente ocorre como lamelas de exsolução

na pirrotita [5].

Garnierita

A garnierita é um silicato de magnésio e níquel de composição variável

(Mg,Ni)6Si4O10(OH)8. O nome vem do geólogo francês Jules Garnier que identificou este

mineral na Ilha de Calcedônia. Apresenta-se geralmente em agregados lamelares e como

incrustações microcristalinas sobre outras pedras. Os cristais são raríssimos e sempre

malformados. Possui sistema cristalino monoclínico e dureza entre 2 e 4. A Figura 7

mostra a Garnierita.

Figura 7: Garnierita (Mg,Ni)6Si4O10(OH)8

Propriedades físicas

Densidade: 2,2 - 2,8.

Clivagem: nenhuma.

Fratura: irregular.

Cores: verde brilhante característico, mas também branca.

Cor do traço: verde claro.

Transparência: transparente, translúcida e opaca.

A garnierita forma-se em rochas ígneas, onde os sulfetos de Níquel foram

alterados por fluidos. A maior jazida continua sendo a da Nova Calcedônia, onde se

apresenta em grandes massas. Encontra-se também em abundância na África do Sul, no

Madagascar, Estados Unidos, Rússia e Itália. A Garnierita é uma das principais fontes

de extração do níquel.

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Nicolita

Possui fórmula NiAs (arsenato de níquel), dureza 5 - 5,5 e sistema cristalino

hexagonal. A célula unitária da nicolita (também chamada niquelita) se utiliza como

protótipo de uma classe de sólidos com estruturas cristalinas similares. Os compostos

que adotam a estrutura de NiAs são geralmente calcogênios, arsênios, antimônio e

bismutos de metais de transição. Os membros destes grupos incluem o sulfureto de

cobalto (II) e o sulfureto de ferro (II) [8].

Figura 8: Representação da célula unitária e do cristal do Arsenato de níquel

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4. CONCLUSÃO

O níquel é um dos metais industriais de grande importância, pois se mostra

evidente a sua necessidade em termos econômicos e tecnológicos. O níquel já era

utilizado desde a era cristã. Nos anos 300 ou 400 a.C, fabricavam-se armas que

possuíam ferro meteorítico com conteúdo de níquel variando entre 5 a 15%. Atualmente

o Canadá é o principal país fornecedor mundial de níquel.

No meio industrial o níquel possui classificação por classes (Classe I e Classe II)

que são definidas de acordo com as ligas de níquel utilizadas para cada processo e com

o uso desta liga na indústria. Pode ser classificado também de acordo com a extração e

processamento do minério níquel, onde pode ser denominado sulfetado ou laterítico.

Algumas das características do níquel são, por exemplo, é um metal duro,

maleável, porém não pode ser laminado, polido ou forjado facilmente. É bastante

resistente a oxidação. A unidade cristalina do níquel é do tipo Estrutura Cúbica de Faces

Centradas e possui número de coordenação 12. É um material ferromagnético à

temperatura ambiente e condutor de eletricidade e calor.

É utilizado na fabricação de aço inoxidável, também pode ser encontrado em

baterias, bijuterias, moedas. A maioria da distribuição do níquel é em forma de

elemento de liga de mais de 3.000 tipos de ligas diferentes, onde 11% da produção

destas, são chamadas ligas a base de níquel. A utilização do níquel em forma de ligas

pode ser destinada ao setor comercial, industrial, construção e transporte.

A pentlandita (Fe,Ni)9S8, a garnierita (Mg,Ni)6Si4O10(OH)8 e a nicolita (NiAs)

são uns dos minerais mais empregados para a extração desse metal. A pentlandita é um

mineral da classe dos minerais sulfuros, onde a geralmente a razão Fe:Ni é próxima de

1:1. Geralmente contém pequenas quantidades de Cobalto. A estrutura da pentlandita é

muito complicada, trata-se de uma estrutura cúbica de face centrada.

A garnierita é um silicato de magnésio e níquel de composição variável, onde a

formação de cristais é muito raro e são sempre mal formados. Em relação à nicolita,

possui sistema cristalino hexagonal e a célula se utiliza como protótipo de uma classe de

sólidos com estruturas cristalinas similares.

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REFERÊNCIAS

[1] ATKINS, Peter; JONES, Loreta. Princípios de Química: questionando a vida

moderna e o meio ambiente. 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012. p 48, 205.

[2] BUSO, SIDNEI JOSÉ. Dissertação de Mestrado: Estudos microestruturais e por

microanálise para identificação dos precipitados presentes em amostras da liga de

níquel tipo 600 (nacional) após processos de soldagem. Disponível em: <

http://pelicano.ipen.br/PosG30/TextoCompleto/Sidnei%20Jose%20Buso_M.pdf>

Acesso em: 14 Dez. 2012.

[3] CUNHA, José Mauro Mettrau Carneiro da. Níquel: novos parâmetros de

desenvolvimento. Disponível em: <

http://www.bndes.gov.br/SiteBNDES/export/sites/default/bndes_pt/Galerias/Arquivos/c

onhecimento/relato/niquel.pdf> Acesso em 14 Dez. 2012.

[4] FORMA, Ligas com memória de. Disponível em: < http://page.esec-aquilino-

ribeiro.rcts.pt/quimica/album/metaismem.pdf> Acesso em: 10 Dez. 2012.

[5]PARRA, Matias. El Niquel. Disponível em:

<file:///C:/Users/Darleila/Desktop/trabalho%20quimica%20do%20estado%20s%C3%

3lido/Nova%20pasta/el-niquel.html> Acesso em: 10 Dez. 2012.

[6] RABELLO, Isabel Portela; et al. Estado da arte das ligas de nitinol : estudo das

propriedades físico-químicas para aplicação como biomateriais. In: 7º Congresso Latino

Americano de Órgãos Artificiais e Biomateriais. 22 A 25 Ago. 2012-Natal-RN.

Disponível em: < www.metallum.com.br/7colaob/resumos/trabalhos.../01-047.docx>

Acesso em:14 Dez. 2012.

[7] SILVA, Rui F. Metais com Memória de Forma. Universidade de Aveiro:

Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro Ciência e engenharia de materiais.

Disponível: <

http://www2.cv.ua.pt/QUIMIMATER/Protocolos%20Experimentais/Unidade1/Semina

io_Metais%20com%20Memoria%20de%20Forma.pdf> Acesso em: 10 Dez. 20

[8] SILVA, Cristina Socorro da. Níquel: bem mineral. Disponível em: <

http://www.dnpm.gov.br/assets/galeriadocumento/balancomineral2001/niquel.pdf>

Acesso em: 14 Dez. 202.