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SECRETARIA DE ESTADO DA EDUCAÇÃOSUPERINTENDÊNCIA DA EDUCAÇÃO

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁPROGRAMA DE DESENVOLVIMENTO EDUCACIONAL

METAIS. UMA PROPOSTA DE ABORDAGEM COM ENFOQUECIÊNCIA/TECNOLOGIA/SOCIEDADE

ÁREA: QUÍMICA

PROFESSOR PDE: MARIA APARECIDA DO CARMO PADULLA SOARES

ORIENTADOR: MARCELO PIMENTEL DA SILVEIRA

2008

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METAIS

Vários são os elementos químicos que fazem parte da constituição

de diferentes materiais utilizados no dia-a-dia. Dentre esses materiais, escolhemos

os metais para estudar nessa unidade. Você já notou se eles são importantes para a

vida, ou para a sobrevivência do homem?

ATIVIDADE 1

Formar grupos de, no máximo, cinco alunos e responder às

questões abaixo:

1) Cite alguns materiais, ou objetos, que você julga ter a presença

de metais na sua composição.

2) Vocês podem citar algum exemplo de metal?

3) Por que esses materiais que vocês citaram, são metais?

4) Que critérios vocês utilizaram para classificar o(s) material(is)

citado(s) como metal(is)?

5) Será que existem algumas propriedades que permitem aos

materiais citados serem classificados como metais?

6) Os metais tiveram papel importante para o desenvolvimento da

sociedade humana? Explique.

7) Seria possível, na atual sociedade, viver sem o uso dos metais?

Continuando a reflexão sobre as questões que envolvem os metais,

propomos que façam os experimentos a seguir. Antes, porém, tentem refletir sobre

as questões abaixo:

1) Por que utilizamos panela de alumínio para cozinhar os

alimentos?

2) Por que o cabo das panelas de alumínio ou de ferro, não é de

metal?

3) Por que panelas de ferro e cobre não são mais utilizadas? Ou, em

quais situações são utilizadas?

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EXPERIMENTO Nº 01 - Os metais são bons condutores de calor?

MATERIAL

− Uma placa de alumínio

− Uma placa de cobre

− Uma placa de ferro

− Uma placa de zinco

− Pedaços de parafina

− Uma lamparina

− Um relógio

PROCEDIMENTO

1. Coloque na extremidade da placa de cobre, pedacinhos de

parafina e segure com uma pinça metálica (ou de madeira).

2. Coloque o extremo da placa de cobre com a parafina sob a

chama da lamparina e anote no quadro 1, o tempo necessário para começar a fundir

(derreter) a parafina.

3. Repita o mesmo procedimento para os outros materiais:

alumínio, ferro e zinco, tomando o cuidado para utilizar a mesma quantidade de

parafina em todas as placas.

Material Tempo necessário para começar a fundir (derreter) a

parafina.

Alumínio

Cobre

Zinco

Ferro

Quadro 1 – Resultados do experimento nº 1.

Agora, com base nos seus resultados apresentados no quadro 1,

responda:

1. Os materiais testados são bons condutores de calor?

4

2. Porque você utilizou a mesma quantidade de parafina em todas

as placas?

3. É possível identificar qual foi a placa que melhor conduziu calor?

Que critério(s) você utilizou para responder?

4. Cite exemplos de como o homem utiliza a propriedade que você

verificou.

5. Que conclusões, a respeito da condução de calor pelos metais,

podem ser tiradas da experiência realizada?

PESQUISA 1

Pesquise sobre a utilização de mantas de alumínio, ou algum

material alternativo, por exemplo, como as embalagens tetraplack® (caixinhas de

leite) na cobertura de casas e construções.

Procure identificar qual o objetivo de se utilizar tal material e qual o

princípio de seu funcionamento.

Discuta se o principio de funcionamento das mesmas pode ser

explicado a partir das propriedades dos metais.

EXPERIMENTO Nº 02 - Os metais são bons condutores de eletricidade?1

Você já pensou sobre quais são os materiais que utilizamos no dia-

a-dia que conduz corrente elétrica?

Todos os metais podem ser considerados condutores de corrente

elétrica?

MATERIAL

− 1 dispositivo para medir corrente como o ilustrado abaixo.

1 Adaptado de SÃO PAULO. Secretaria de Estado da Educação. Coordenadoria de Estudos eNormas Pedagógicas. Programa de Educação Continuada (PEC) Construindo Sempre-Aperfeiçoamento de professores. Módulo 3. São Paulo: SE/CENP, 2003. p.13-16.

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− Pedaços de ferro, de cobre, borracha, alumínio, vidro, zinco, ferro, plástico (PVC,

fórmica, etc.).

− 1 lâmpada (pode ser utilizada de 60W).

Recomendações: Não toque nos dois eletrodos (fios desencapados)

simultaneamente quando o dispositivo estiver ligado à tomada.

Figura 1 - Aparelho para testar condutibilidade elétrica.

PROCEDIMENTO

1. Enrosque a lâmpada no dispositivo e ligue-o à tomada.

2. Faça as medidas dos materiais listados, colocando os eletrodos do dispositivo

em contato com cada um dos materiais, e observando o resultado.

3. Anote os resultados no quadro abaixo:

Material Condução de corrente elétrica

Cobre

Borracha

Alumínio

Vidro

Zinco

Plástico

Ferro

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Quadro 2 – Resultados do experimento nº 2.

A partir dos resultados do experimento, responda:

1. Todos os materiais testados são condutores de corrente

elétrica?

2. Essa propriedade é importante para o homem? Por quê?

3. Por que os cabos de ferramentas metálicas, por exemplo,

alicates e chave de fenda, são encapados com borracha ou plásticos?

4. Faça uma tabela com os materiais testados acima e, classifique-

os como condutores de corrente elétrica ou isolantes.

ATIVIDADE 2

Analise os dados apresentados na tabela 1 e responda:

1. É possível afirmar que todos os metais apresentam pontos de

fusão e de ebulição altos?

2. Isso é comum a todos os metais, ou há exceções?

3. Considerando a temperatura ambiente como 25 oC, qual deve

ser o estado físico do mercúrio? Ele pode ser considerado um metal?

4. Qual(is) dos metais indicados na tabela 1, você não conhece ou

não sabia que era um metal?

Tabela 1 – Alguns metais e seus pontos de fusão e de ebulição.

Metal Ponto de fusão (ºC) Ponto de ebulição (ºC)

Ferro

Alumínio

Zinco

Cobre

Chumbo

Ouro

Sódio

Potássio

Estanho

Mercúrio

Gálio

1538

660

420

1084

327,5

1064

97,8

63

232

-39

30

2862

2520

907

2563

1750

2857

883

759

2603

3575

2205

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PROPRIEDADES DOS METAIS E SUAS APLICAÇÕES

PARA VOCÊ PENSAR!

1) A partir dos resultados dos experimentos 1 e 2, e das discussões

sobre os mesmos, é possível afirmar que os metais podem ser caracterizados

somente pelas propriedades de conduzir corrente elétrica e calor?

2) Você conhece outras propriedades dos metais? Quais?

A partir das discussões realizadas até o momento, podemos

perceber que os materiais metálicos são amplamente utilizados em nossa sociedade

graças às suas propriedades físicas e químicas. Algumas dessas propriedades,

apresentadas no quadro 3, embora em diferentes graus, são comuns a todos eles.

Propriedades Observações

Brilho característico Se polidos, os metais refletem muito bem a luz

Alta condutibilidade térmica e elétrica Prata e ouro são os metais que apresentam os

maiores valores de condutibilidade elétrica

Altos pontos de fusão e de ebulição Embora haja exceções, como mercúrio, PF = -39 ºC;

gálio, PF = 30 º C; e potássio, PF = 63 ºC), como

discutido na atividade 2. Devido a essa propriedade

e também à boa condutividade térmica, alguns

metais são utilizados em panelas e radiadores de

automóveis.

Maleabilidade Metais são muito maleáveis, ou seja, são fáceis de

transformarem-se em lâminas. O metal mais

maleável é o ouro

Ductibilidade Metais também são muito dúcteis, isto é, são fáceis

de transformarem-se em fios. O ouro é também o

mais dúctil dos metais

Quadro 3 – Propriedades dos metais.

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Do ponto de vista tecnológico, a dureza e a densidade também são

propriedades importantes. O ferro e o alumínio são classificados como metais duros.

O magnésio, o alumínio e o titânio são considerados metais com densidades baixas,

isto é, com densidade inferior a 5 g/cm3. A escolha do metal mais apropriado para a

confecção de um objeto dependerá muito do conjunto de propriedades que ele

apresenta, além de outros fatores como o econômico e o ambiental.

O quadro 4, apresenta algumas das aplicações e características de

determinados metais.

Metal Aplicações-importância CaracterísticasAl (alumínio) Fabricação de panelas, esquadrias,

folhas, tubos, aviação, automóveis, etc.Fogos de artifício

Metal mais abundante.Quando pulverizado, de fácilexplosão e ignição.

Pb (chumbo) Proteção contra radiações.Bateria de automóveis e tubos decanalização.Ligas fusíveis, soldas e munição.

Metal com muito brilho, baixadureza e baixa tenacidade.

Cu (cobre) Formação do bronze (com estanho), dolatão (com o zinco) e cunhagem demoedas (com o níquel).Fabricação de arames, fios, panelas,etc.

Condutor de calor eeletricidade.

Sn (estanho) Formação do bronze (com o cobre),latas (folhas de Flandres) e presente emsoldas e moedas.

Resistente à corrosão.

Fe (ferro) Esquadrias, ferramentas, pregos, etc.Principal constituinte do aço.

Elemento atraído pelo ímã

Hg (mercúrio) Fabricação de barômetros etermômetros.Formação de amálgamas, lâmpadas avapor e sensores elétricos.

Metal líquido a 25ºC.

Zn (zinco) Formação de latão.Fabricação de pilhas secas, calhas,telhas e peças de automóveis.

Usado em revestimento deoutros metais para proteçãoda oxidação.

Na (sódio) Refrigeração de reatores atômicos.Iluminação (lâmpada a vapor de sódio)

Reação violenta com a água.Não encontrado na forma deminérios, pois a maioria reagecom a água.

Ag (prata) Talheres, espelhos, jóias, moedas,medalhas, etc.

Bom condutor de calor eeletricidade.

Au (ouro) Moedas, jóias, circuitos eletrônicos. Metal muito maleável, dúctil etambém muito valorizado.

Ni (níquel) Fabricação de moedas.Niquelação (proteção de metais).

Atração pelo ímã, alta dureza,resistência à oxidação.

Mg (magnésio) Formação de ligas:motores, aeronavese rodas.Fogos de artifício e sinalização.Fabricação de flash descartável.

Quando aquecido inflamacom chama intensa.

Quadro 4 - Propriedades e usos de alguns metais.Fonte: Ferreira (1998, p. 15).

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LIGAS METÁLICAS

Até o momento, já foi possível estudar um pouco sobre os metais

por meio de vários exemplos, seus usos e propriedades. No sentido de ampliar os

conhecimentos sobre esses materiais, responda as questões a seguir:

1. Vocês conhecem, ou já ouviram falar, de um material chamado

bronze?

2. O bronze pode ser considerado um metal? Por quê?

3. Vocês conhecem aço e aço inox? Existem diferenças entre

esses materiais? Quais?

4. O que vocês acham que é o latão? E ouro 18 quilates? O que

seria o ouro branco?

5. Como vocês poderiam verificar se os materiais indicados são

metais?

EXPERIMENTO Nº 3 – Pesquisa de ligas metálicas

MATERIAL

− Uma amostra de bronze (objeto de decoração, chave, etc.)

− Uma amostra de latão (objeto de decoração)

− Uma amostra de aço inoxidável (por exemplo, talher)

− Uma peça de ouro (anel, pulseira, brinco, etc.)

− Um pedaço de solda elétrica

− Estanho

− Chumbo

− Tripé

− Bico de Bunsen

− Tela de Amianto

− 03 cadinhos

− Proveta de 100 mL

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Obs.: trabalhar com amostras pequenas, para facilitar a determinação do volume

através do deslocamento de água na proveta.

PROCEDIMENTO

Parte I – Condução de calor e corrente elétrica

1. Repetir o procedimento dos experimentos 1 e 2 para as

amostras de bronze, latão, aço inoxidável, ouro e solda elétrica.

2. Organizar os dados obtidos em quadros, da mesma forma

sugerida nos experimentos 1 e 2, e depois responder as questões:

I. Os materiais testados são condutores de calor?

II. Os materiais testados conduzem a corrente elétrica?

III. Esses materiais e os metais apresentam o mesmo comportamento com relação

à condução de calor e de corrente elétrica?

IV. Podemos diferenciar os metais de uma liga metálica, utilizando a condução de

calor e eletricidade?

Parte II - Ponto de fusão

1. Coloque, separadamente, pequenas quantidades iguais de solda

e de seus componentes (estanho e chumbo), em um cadinho.

2. Coloque os cadinhos sobre a tela de amianto que está em cima

de um tripé.

3. Em seguida, utilizando o bico de Bunsen, aqueça por igual e

simultaneamente as três amostras. Observe a ordem de fusão e responda:

I. Os pontos de fusão do metal puro e de sua liga são os mesmos?

II. Qual foi a ordem em que os materiais se fundiram?

III. Faça uma pesquisa sobre os valores corretos do ponto de fusão para a solda e

compare com os valores para os metais que a constituem, para isso consulte a

tabela 1.

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IV. O ponto de fusão pode ser uma propriedade utilizada para diferenciar os metais

puros de uma liga metálica? Por que?

Parte III – Densidade

1. Pese a amostra da liga de bronze e anote a sua massa.

2. Em seguida, coloque 70 mL de água na proveta de 100 mL,

mergulhe cuidadosamente (para não quebrar o fundo da proveta), a liga na mesma e

anote o novo volume observado na proveta.

3. A partir dos resultados obtidos, é possível saber o qual é o

volume da amostra da liga de bronze? Explique.

4. Repita o procedimento para as outras amostras de liga metálica.

5. Sabendo que a propriedade densidade pode ser representada

matematicamente pela relação massa/volume, então, é possível calcular o valor da

densidade pela relação: d = m/V. Com os dados obtidos no experimento, preencha o

quadro abaixo:

Materiais Massa(g) Volume(mL) d(g/mL)

Bronze

Latão

Aço inoxidável

Ouro

Solda

Quadro 5 – Resultados do experimento nº 3 – Parte III.

PESQUISA 2

Faça uma pesquisa sobre as ligas metálicas utilizadas no

experimento, e para cada uma delas, procure identificar: a composição; a densidade

e a densidade dos metais que as constituem. Após obter os dados, responda:

1) Se os valores obtidos experimentalmente forem diferentes, como

explicar o resultado?

2) O valor de densidade da liga é igual a dos metais? Por quê?

3) A densidade pode ser uma propriedade utilizada para diferenciar

os metais de uma liga metálica? Por quê?

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Muitos dos materiais utilizados pelo homem, não são metais, mas

sim, misturas de diversos metais, podendo conter também elementos não-metálicos.

Assim, a maioria dos materiais metálicos usados em nosso cotidiano são, na

realidade, ligas metálicas. Isso acontece porque, quando puros, os metais não

apresentam as propriedades físicas adequadas às exigidas pela indústria.

Ligas metálicas são misturas sólidas de dois ou mais elementos

em que a totalidade, ou pelo menos a maioria, é de elementos metálicos.

A liga metálica é preparada misturando-se dois ou mais metais em

forma líquida e, depois, deixando-os esfriar e solidificar. As propriedades das ligas

dependem dos metais que as constituem e das porcentagens em que cada um entra

na sua composição. Pequenas variações nas proporções dos constituintes podem

afetar muito as propriedades desejadas. O quadro 6 apresenta a composição, as

propriedades e o uso de algumas ligas.

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Liga ElementosConstituintes

Propriedades Aplicações

Aço Fe (ferro), C(carbono) e traçosde Si (silício), S(enxofre) e P(fósforo).

Branco acinzentadoPF = 1300 ºCDensidade=7,7g/cm3

Fabricação de ligas.Várias aplicações.

Aço Inox Aço comum, Cr(crômio) e Ni(níquel)

Inoxidável. Boaaparência.

Talheres, utensílios decozinha, decoração.

Duralumínio Al (alumínio); Cu(cobre); Mn(manganês); Mg(magnésio)

Baixa densidade Peças de aviões eautomóveis. Parahidroaviões, outroselementos fazem partecomo Ce e Zr, queimpedem o ataque pelaágua do mar.

Soldaelétrica

Pb (chumbo) e Sn(estanho)

Baixo PF Solda de contatoselétricos

Níquel-crômio

Ni (níquel) e Cr(crômio)

PF elevado, baixacondutividadeelétrica

Fios de resistênciaelétrica.

Ouro 18quilates

Au (ouro); Ag(prata); Cu (cobre)

Dureza, inérciaquímica, boaaparência

Joalheria.

OuroBranco

Au; Ag; Pd(paládio)

Dureza, inérciaquímica, boaaparência

Joalheria.

Bronze Cu e Sn (estanho) Facilmente moldado Engrenagens,decoração.

Latão Cu e Zn (zinco) Flexível, boaaparência

Tubos, torneiras,decorações.

Amálgama Composiçãovariada: Hg(mercúrio), Cd(cádmio), Sn, Ag eCu

Facilmente moldada,relativa inérciaquímica.

Odontologia.

Amálgamade zinco

Hg e Zn Oxida-se apenas emum circuito elétricofechado.

Pilhas elétricas.

Quadro 6 - Composição e uso de algumas ligas metálicas.Fonte: Ferreira (1998, p.16).

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ATIVIDADE 3

O quadro 6 apresenta algumas ligas e suas aplicações. Essas foram

desenvolvidas pelo homem ao longo do tempo, conforme os conhecimentos

adquiridos sobre os metais foram se ampliando. Nesse sentido, vamos refletir um

pouco sobre o desenvolvimento de algumas das descobertas do homem na nossa

sociedade atual?

Procure entrevistar pessoas mais velhas, da sua família ou

conhecidos, e busque informações como:

a) De que material eram feitas às bicicletas antigamente? E

atualmente?

b) Quais são as principais diferenças identificadas? Comparando

com as atuais, elas eram mais pesadas? Por quê?

c) E com relação aos ferros de passar roupa, como eles eram?

d) Do que os ferros de passar roupa são feitos atualmente?

e) Na opinião deles, quais as vantagens (ou desvantagens) que as

atuais bicicletas e ferros de passar roupa têm em relação aos mais antigos?

Toda a análise das propriedades dos metais e das ligas metálicas,

explicam a larga utilização desses materiais pelo homem e a importância que eles

exercem na sociedade desde a Antigüidade. Assim, o estudo dos metais permite

compreendermos aspectos importantes de como nossa sociedade foi evoluindo ao

longo do tempo.

Para aprofundarmos essas discussões, faça a leitura do texto a

seguir.

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Texto 1

HISTÓRIA DOS METAIS

Por volta de 6000 anos antes de Cristo, o homem já conhecia os metais.

Na realidade, os povos da Idade da Pedra Polida (Neolítico), (que não conheciam técnicas

de metalurgia), usaram acidentalmente os metais nativos, especialmente o cobre, e

posteriormente outros metais, como o ouro e a prata, pois ao procurar pedras para fazer

armas e utensílios, eles encontravam, às vezes, pedaços desses metais.

Desde o Período Neolítico, as civilizações desenvolvem-se por meio de

diferentes culturas, caracterizadas por um conjunto de técnicas fundamentais. O uso do

cobre, depois do bronze, em seguida do ferro e do aço vão se definindo pouco a pouco na

evolução destas culturas.

Provavelmente, o cobre tenha sido descoberto por acaso, em meio a

alguma fogueira feita sobre pedras que continham o minério. É possível que algum

observador neolítico tenha notado o metal, obtido a partir do calor do fogo, reproduzindo o

processo, mais tarde, propositalmente. No início, o cobre era utilizado na forma pura, que

era dúctil demais para a fabricação de instrumentos e armas úteis. A seguir, provavelmente

por acaso, segue-se a descoberta de que, ao adicionar ao cobre pequena proporção de

estanho, forma-se uma liga mais dura do que o cobre puro. Era a descoberta do bronze, que

possibilitou ao homem modelar novos e melhores utensílios. Inicia-se a chamada Idade do

Bronze, período compreendido entre 3500 a.C. a 1200 a.C..Essa época é contemporânea

dos sumérios, egípcios, cretenses e os habitantes de um conjunto de ilhas localizadas na

Grécia.

Cerca de 2.000 anos após a descoberta do cobre e do bronze, o ferro

também passou a ser usado, provavelmente com os hititas, mas só teve grande difusão no

primeiro milênio antes de Cristo, devido ao seu largo emprego na fabricação de armas. O

homem passa a viver a denominada Idade do Ferro, quando as ferramentas e armas

passaram a ser feitas principalmente de ferro ou aço. Tanto o ferro quanto o aço foram

obtidos em 1.000 a.C., através da queima do carvão vegetal com o minério de ferro.

Assim, é possível percebemos que os metais ocupam um papel

fundamental na história da humanidade. A análise dos variados tipos de objetos fabricados

com metais e ligas metálicas é um dos meios de se identificar o grau de desenvolvimento de

uma civilização.

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ATIVIDADE 4

1. Por que o desenvolvimento da civilização humana esteve tão

relacionado ao uso de metais?

2. Converse com seu professor de história e faça uma pesquisa

sobre o uso dos metais nas civilizações antigas.

Pelo que foi discutido, percebemos que os metais são muito

importantes para o homem e para o desenvolvimento da civilização. Assim,

consideramos relevante refletir sobre algumas questões:

1. Onde os metais são encontrados?

2. Quando encontrados, eles já estão prontos para o uso?

3. Todos os países têm os metais de que necessitam?

4. As reservas minerais de metais são fontes renováveis?

5. A extração desses metais provoca impactos ambientais?

FONTE DE EXTRAÇÃO DOS METAIS

Minerais - Minérios – Metais

Em geral os metais não são encontrados no subsolo “prontos para o

uso”, mas sim fazendo parte da composição de minerais denominados “minérios”.

Normalmente se faz confusão entre as palavras mineral, minério e metal. Saber a

diferença entre elas é fundamental para o entendimento deste estudo.

Recursos Minerais

Os recursos minerais incluem as substâncias inorgânicas

encontradas na crosta terrestre. Os agregados naturais de minerais são chamados

de rochas. Todavia, é comum chamar uma rocha de mineral. Muitas rochas

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apresentam interesse econômico, pois a partir delas podem-se obter substâncias

que servirão de matéria-prima para as indústrias. Essas rochas são denominadas

minérios.

Minérios: fonte de metais

Minérios são minerais dos quais são extraídos, com vantagem

econômica, uma ou mais substâncias de interesse industrial.

Todos os metais que utilizamos são retirados de minérios presentes

nas rochas que contêm minerais em quantidades economicamente viáveis de

extração. Do ponto de vista químico, os minerais são compostos formados por pelo

menos um metal e um outro elemento, como por exemplo, a cassiterita, que é um

óxido de estanho, de fórmula SnO2.

Do ponto de vista econômico, três são os fatores que influem no

valor de um metal e na sua importância econômica: as suas propriedades físicas e

químicas, o custo de sua produção e a sua quantidade na natureza. No entanto, não

é somente a quantidade um dos fatores preponderantes, ou seja, uma grande

quantidade de metal existente na natureza não determina sozinha, um baixo preço.

O alumínio, apesar de ser o metal mais abundante da crosta terrestre, não é o mais

barato, pois o custo da sua produção é bem elevado.

Os minérios não estão homogeneamente distribuídos na crosta

terrestre. Encontram-se concentrados em determinadas regiões do planeta,

conforme indicam os estudos geológicos sobre a Terra. Como conseqüência, alguns

países são ricos em determinados minérios, e outros totalmente dependentes da

importação. Por exemplo, a África do Sul e o Brasil são grandes produtores de ouro

e de ferro, já o Japão precisa comprar muitos metais para o seu consumo.

Devido à importância que os metais apresentam para a sociedade,

muitos pesquisadores defendem que uma análise sobre o consumo dos mesmos

pode ser uma forma de avaliar o grau de desenvolvimento de um país. Os países

desenvolvidos consomem muito mais metal do que os países emergentes, mesmo

que não possuam as maiores reservas minerais. Assim, por exemplo, o consumo per

capita por ano de cobre nos Estados Unidos é de aproximadamente 8 kg, enquanto

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que na Índia é de 0,1 kg. A população em 2002, dos EUA era de aproximadamente

281 milhões de pessoas, e a da Índia é de aproximadamente 1 bilhão.

Atualmente, muitas jazidas de minérios estão se esgotando. É o que

vem acontecendo com as reservas de ferro, chumbo, crômio, manganês, níquel,

zinco, ouro, platina e prata. Tem sido cada vez mais difícil encontrar novas jazidas,

e, geralmente, elas apresentam pequena porcentagem de minério na rocha.

Os países que mais consomem metais necessitam importar a maior

parte deles. Os Estados Unidos importam manganês, estanho, cobalto, crômio e

mercúrio, entre outros. A Alemanha importa cobre, manganês, chumbo, zinco e

mercúrio. O Japão depende totalmente da importação de minério de ferro, crômio,

níquel, cobalto, molibdênio, estanho e muitos outros.

O homem, no futuro, vai enfrentar a escassez de minérios e,

portanto, de metais, ou seja, nós não teremos, para sempre, a possibilidade de

retirar da natureza esse precioso material. Portanto, torna-se cada vez mais

necessário evitar perdas por corrosão e praticar intensamente a reciclagem dos

metais, ao lado da substituição por outros materiais.

PARA PENSAR E DEBATER

1. É possível substituir o uso dos metais por outros materiais?

2. Identifique materiais metálicos do seu dia-a-dia que estão sendo

substituídos por outros materiais e relacione as vantagens e desvantagens dessa

substituição.

3. As reservas minerais de metais são fontes não renováveis.

Proponha medidas para evitar o desperdício dos materiais e evitar a exaustão das

reservas.

ATIVIDADE 5

Essa pesquisa tem por finalidade ampliar o estudo dos metais e as

possibilidades de obtenção dos mesmos. Ao final, cada grupo deverá compor um

mural e fazer uma apresentação oral sobre a pesquisa.

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Orientações:

Parte I

1. Pesquisar sobre as fontes de obtenção dos metais (nome do

minério, ocorrência) apresentando as informações em um quadro, como o exemplo a

seguir:

Metal Principal

minério

Principal composto

do minério

Ocorrências importantes

(reservas de minério)

Alumínio (Al) bauxita Óxido de alumínio

hidratado, Al2O3.H2O

Guiné, Austrália, Brasil

Chumbo (Pb)

Cobre (Cu)

Estanho (Sn)

Ferro (Fe)

Manganês (Mn)

Titânio (Ti)

Zinco (Zn)

Mercúrio (Hg)

Cromo (Cr)

Ouro (Au)

Prata (Ag)

Platina (Pt)

Fonte: Beltran; Ciscato (1991, p.214).

2. Identificar quais são as principais jazidas de minérios do Brasil e

localizá-las no mapa. Procure identificar também, os grandes projetos minerais

implantados no Brasil a partir da década de 1970.

3. A partir da discussão e análise do mapa, formar um grupo de

estudos sobre a exploração mineral no Brasil.

4. Cada grupo deverá escolher um minério e realizar a parte II da

pesquisa. O grupo escolhe o(s) minério(s) a abordar.

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Parte II

O trabalho escrito deve abordar (ou responder) pelo menos quatro

questões relativas ao(s) minério(s) e a(s) área(s) escolhida(s). Por exemplo:

a. Qual o principal minério explorado na(s) área(s) abordada(s) e quais as

características geológicas que explicam sua ocorrência?

b. Quais os agentes econômicos (empresas nacionais ou estrangeiras) envolvidos

no processo de exploração e comercialização do(s) minério(s) abordado(s) e, se for

o caso, como se realiza o escoamento do produto para as regiões consumidoras

(nacionais ou internacionais)?

c. O processamento do minério é feito no Brasil, ou o mesmo é exportado na forma

bruta? Qual seriam as principais etapas do processamento químico para obtenção

do metal a partir do minério extraído?

d. Há ocorrência de algum impacto social ou ambiental na área de estudo?

No mural devem constar fotografias, ilustrações diversas, mapas e

gráficos selecionados em revistas, jornais e outras publicações, além de notas

explicativas das ilustrações. Os mesmos serão afixados na sala de aula com uma

pequena apresentação de cada grupo a respeito dos resultados obtidos (ADAS,

2000).

A EXTRAÇÃO DOS METAIS

Existem várias técnicas para extrair os metais que ocorrem

combinados, agrupadas sob o nome de metalurgia. O processo metalúrgico de

extração de metais consiste em reduzir minérios a metais, que são substâncias

simples. Particularmente, as técnicas de obtenção do ferro constituem a siderurgia.

Metalurgia e Siderurgia: transformando minérios em metais

Na superfície da Terra encontramos os minerais, que são

substâncias que foram formadas ao longo de milhares de anos pela natureza.

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Conforme já vimos, grande parte dos minerais contém metais em sua composição e,

dependendo da composição química e da abundância do mineral, é possível extrair

esses metais.

A composição da crosta terrestre é aproximadamente a que

apresentamos na tabela 2:

Tabela 2 - Composição da crosta terrestre.

Elemento % em massa

O 46,6

Si 27,7

Al 8,1

Fe 5,0

Ca 3,6

Na 2,8

K 2,6

Mg 2,1

Todos os demais 1,5Fonte: Romeiro (1997, p.5)

Por meio de uma análise da tabela 2, é possível observar que o

alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre. Já o ferro, por sua vez,

apesar de ser o metal mais utilizado pelo homem representa 5% da constituição da

crosta terrestre.

Siderurgia – Metalurgia do Ferro

A siderurgia é o ramo da metalurgia que trata especificamente do

beneficiamento do ferro, sendo a produção de aço sua principal atividade. O ferro é

extraído de minérios encontrados em jazidas minerais, sob a forma de óxidos,

carbonatos e sulfetos, conforme exemplos apresentados no quadro 7.

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Substância Nome Mineralógico Percentual de FerroÓxidosFe3O4 Magnetita 45 a 70 %Fe2O3 Hematita 50 a 70 %Fe2O3.H2O Limonita 20 a 60 %CarbonatosFeCO3 Siderita 30 a 45 %SulfetosFeS Pirita Extração para obtenção de aço não é viável

devido à presença de enxofre, prejudicial aoaço.

Quadro 7 - Ocorrência do ferro na natureza.Fonte: Romeiro (1997, p.8)

Pelo quadro acima, verificamos que o principal minério de ferro

encontrado no Brasil é a hematita com 50 a 70% de ferro, o que corresponde a 8%

das reservas mundiais. No Brasil, as maiores jazidas de ferro encontram-se em

Minas Gerais (Quadrilátero Ferrífero), Mato Grosso do Sul (Maciço de Urucum) e

Pará (Serra do Carajás).

ATIVIDADE 6: Leia a poesia: A Montanha Pulverizada de Carlos Drummond de Andrade

e procure responder as questões a seguir:

1) Em que época ela foi escrita?

2) De que lugar de Minas Gerais o autor está falando? A qual montanha o autor se refere?

3) Esse local ainda fornece minério de ferro?

4) É possível perceber na poesia uma preocupação do autor com a problemática ambiental?

Sabemos que os metais são encontrados na natureza na forma de

substâncias compostas, os chamados minérios. Mas, os materiais metálicos são, em

geral, substâncias simples, isto é, eles são constituídos por átomos de um único

elemento químico. Dessa forma, ainda temos uma questão importante para

responder:

Como se podem obter os materiais metálicos a partir de substâncias compostas?

Para compreendermos esses processos, será necessário estudar as

reações de oxidação e redução.

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OXIDAÇÃO E REDUÇÃO

EXPERIMENTO Nº 4 – Queima da palha de aço

MATERIAL

− Vidro de relógio

− Balança

− Palha de aço (tipo bombril)

PROCEDIMENTO

1. Colocar a palha de aço sobre o vidro de relógio e anotar a massa

do conjunto.

2. Queimar toda a palha de aço encostando a chama de um palito

de fósforo. Se ainda restarem pedaços não queimados, atear fogo novamente.

3. Espere esfriar e pese novamente o conjunto.

Análise dos resultados

I. A massa do conjunto pesado permaneceu a mesma antes e depois do

experimento?

II. O que representa a diferença de massa observada?

III. Sabendo que a palha de aço é composta do metal ferro (Fe), como você

representaria a equação química que representa a queima?

Texto 2

A teoria do flogístico

Explicar o fenômeno da combustão é uma preocupação antiga dos

homens. A teoria do flogístico, criada pelo cientista alemão Georg Ernest Stahl (1660-1734)

em 1697, se preocupou com a explicação desse fenômeno. De acordo com essa teoria,

algumas espécies de matéria, tais como o enxofre, o carvão, os óleos vegetais, a madeira,

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os metais, continham flogístico – um “espírito” que lhes dava a propriedade de serem

combustíveis. O flogístico seria, portanto, um princípio comum inflamável presente apenas

nos materiais combustíveis. Utilizando essa idéia, Stahl explicou o fenômeno da combustão,

a transformação dos metais em óxidos (oxidação) e a transformação dos óxidos em metais

(redução), processos que interessavam muito aos químicos, por causa do progresso

crescente da metalurgia durante o século XVII, que viria a culminar, no século XVIII, com a

Revolução Industrial.

Como a teoria do flogístico explicava a combustão dos metais?

Para compreendermos a explicação dada por essa teoria para a

combustão, precisamos entender que hoje, a combustão de um metal é explicada pela sua

reação com o oxigênio, formando o seu óxido.

Metal + oxigênio à óxido do metal

Obs.: o óxido é um composto formado pelo metal e o oxigênio.

Portanto, o óxido é um composto e o metal se combina com o oxigênio

para formá-lo. Já, pela teoria do flogístico, seria o contrário, ou seja, o metal seria o

composto e não o óxido. O óxido se combinaria com o flogístico para formar o metal.

óxido do metal + flogístico à metal

e, ao ser queimado, o metal liberaria o flogístico:

Metal à óxido do metal + flogístico

É freqüente a afirmação de que a teoria do flogístico desapareceu

rapidamente porque teria sido incapaz de explicar aspectos quantitativos das reações.

Como explicar o aumento de peso dos metais após a combustão? Como o metal poderia

desprender o flogístico para o ar dando origem a um produto de peso superior? Alguns

adeptos desta teoria chegaram a admitir que o flogístico tivesse peso negativo.

Essa dificuldade em explicar o aumento de massa na combustão dos

metais, abriu espaço para os trabalhos de Lavoisier que, primeiro criou uma nova teoria da

combustão, contrária àquela de Stahl e depois colocou a massa como uma informação

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pertinente nas transformações químicas, inaugurando definitivamente a era da química

como uma ciência quantitativa.

Entendendo que o oxigênio é um participante importante nas

reações de combustão, as mesmas podem ser interpretadas como um processo que

envolve ganho de oxigênio. Para compreender melhor, vamos analisar a reação de

combustão do ferro, a partir da queima da palhinha de aço.

a) combustão do ferro:

2 Fe(s) + O2(g) ?á 2 FeO(s)

(ferro) (oxigênio do ar) óxido de ferro II

O ferro (Fe) ganhou oxigênio.

b) combustão completa do carvão:

C(s) + O2(g) ?á CO2(g)

(carvão) (oxigênio) (gás carbônico)

O carbono (C) ganhou oxigênio.

c) a queima do enxofre, processo responsável pela formação da chuva ácida:

S(s) + O2(g) ?á SO2(g)

(enxofre) (oxigênio) (dióxido de enxofre)

O Enxofre (S) ganhou oxigênio.

Analise agora, o que acontece neste outro experimento, quando a

palhinha de aço é exposta ao ar e á água.

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EXPERIMENTO Nº 5 – Formação de ferrugem.2

MATERIAL

− 3 tubos de ensaio iguais

− 1 bastão de vidro

− 3 placas de Petri

− Esponja de aço

PROCEDIMENTO

Ensaio I

1. Umedeça um tubo de ensaio com água e coloque dentro, uma

pequena mecha de esponja de aço (na forma de bolinha).

2. Com o auxílio do bastão de vidro, distribua-a até que ocupe

cerca de 1/3 do comprimento do tubo.

3. Coloque água em uma placa de Petri de maneira a preenchê-la.

4. Inverta o tubo de ensaio, mantendo-o nessa posição e coloque-o

na placa de Petri.

Ensaio II

1. Coloque um tubo, vazio e invertido, numa placa de Petri

contendo água.

Ensaio III

1. Repita (sem umedecer a palhinha de aço) o procedimento

indicado para o ensaio I, agora com uma placa de Petri vazia.

2 Adaptado de GEPEQ. Interações e Transformações I: Elaborando Conceitos sobreTransformações Químicas. São Paulo: Edusp, 2005. p. 157-161.

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2. Utilize o quadro 8 para registrar as características (início e fim)

dos sistemas.

3. Deixe os tubos de ensaio, sem tocar, até a próxima aula, quando

serão registradas as observações referentes ao estado final dos sistemas.

Figura 2 - Ensaios I, II e III, respectivamente.

Quadro 8 – Características dos sistemas analisados.

Analisando os dados registrados no experimento, responda às

seguintes questões:

I. Foi observada alteração na esponja de aço utilizada no ensaio I? E no ensaio

III?

Ensaio Estado inicial Estado final

I

II

III

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II. O que ocorreu com o nível da água no ensaio I e no ensaio II? Tente explicar o

que observou.

III. Levando em conta suas respostas às questões 1 e 2, que materiais terão

interagido dando origem à ferrugem?

IV. Levando em conta que a ferrugem é constituída, em grande parte, por óxido de

ferro (III) hidratado (Fe2O3. n H2O – n significa que o número de partículas de

água é variável), e lembrando que, no experimento, o tubo foi inicialmente

umedecido, escreva a equação que representa a formação da ferrugem.

Dessa forma, o processo de enferrujamento do ferro exposto ao ar

úmido, pode ser representado pela equação química:

4 Fe(s) + 3 O2(g) + x H2O ?á 2 Fe2O3. xH2O(s)

(ferro) (oxigênio) (água) (óxido de ferro)

Nesse processo, também podemos dizer que o ferro (Fe) ganhou

oxigênio.

No enferrujamento, bem como em todos os exemplos aqui

analisados, observamos que houve ganho de oxigênio na formação dos produtos

das transformações químicas. O processo de ganho de oxigênio em uma

transformação química é denominado oxidação.

Assim, ao observamos os produtos dessas transformações,

verificamos que a oxidação está relacionada à oxigenação, ou seja, ao ganho de

oxigênio. Historicamente, as reações de oxidação receberam esse nome porque

designavam as reações que envolviam a combinação entre o oxigênio e outro

elemento.

Da mesma forma que ocorre o processo de oxidação, ou seja, ganho

de oxigênio, pode ocorrer a perda de oxigênio nas transformações químicas. A esse

processo é dado o nome de redução.

No século XVIII, por exemplo, era muito comum obter o óxido de

mercúrio a partir do aquecimento do mercúrio e regenerá-lo a partir da sua

decomposição térmica (hoje entendida dessa forma). É importante lembrar que,

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naquela época, os modelos explicativos para esse processo ainda estavam em

construção e não eram os mesmos que utilizamos atualmente.

d) 2 HgO(s) ?á 2 Hg(l) + O2(g)

(óxido de mercúrio) (mercúrio) (oxigênio)

Nesse processo, podemos dizer que o óxido de mercúrio perde

oxigênio – processo de redução.

Nos exemplos discutidos até o momento, oxidação e redução

parecem processos independentes. No entanto, os mesmos ocorrem

simultaneamente, como é possível analisar por meio do processo de produção do

ferro a partir do óxido de ferro, exemplificado a seguir:

e) 2 Fe2O3(s) + 3C(s) ?á 4 Fe(s) + 3CO2(g)

(óxido de ferro) (carvão) (ferro) (dióxido de carbono)

2Fe2O3(s) à 4 Fe(s): processo de redução, ou seja, perda de oxigênio.

3C(s) à 3CO2(g): processo de oxidação, ou seja, ganho de oxigênio.

Dessa forma, os processos de oxidação e redução ocorrem ao

mesmo tempo e, enquanto uma espécie perde oxigênio, a outra espécie,

necessariamente, ganha oxigênio. Oxidação e redução são, portanto, fenômenos

simultâneos.

A espécie que sofre redução está provocando a oxidação da outra

espécie e, por esse motivo, é chamada de agente oxidante ou, simplesmente,

oxidante.

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A espécie que sofre oxidação está provocando a redução de outra

espécie, e por esse motivo, é chamada de agente redutor ou, simplesmente,

redutor.

ATIVIDADE 7

Discuta se é possível visualizar a ocorrência conjunta de oxidação

(ganho de oxigênio) e redução (perda de oxigênio), em cada uma das

transformações químicas representadas por meio das equações químicas 1 e 2:

1) K2Cr2O7(s) + KOH(s) ?á K2CrO4(s) + H2O(l)

dicromato de potássio hidróxido de potássio cromato de potássio água

2) FeCl2(s) + Cl2(g) ?á FeCl3(s)

cloreto de ferro II gás cloro cloreto de ferro III

No exemplo 1 da atividade acima, é possível verificar que, nem

sempre, conseguimos visualizar, por meio de uma equação química a ocorrência

simultânea do ganho e perda de oxigênio.

Também, existem casos em que está envolvida a perda e o ganho

de outros elementos, como é o caso do exemplo 2, que não apresenta oxigênio na

equação.

Nesse sentido, é preciso buscar idéias (modelos explicativos) mais

amplas sobre os conceitos de oxidação e redução, de forma a ampliar a capacidade

de explicar os diferentes fenômenos. No entanto, cabe salientar que isso será feito

em outros momentos dos seus estudos em química.

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REVENDO O PROCESSO SIDERÚRGICO: UMA NOVA EXPLICAÇÃO.

Já vimos que o ferro não se encontra livre na natureza. Assim, é

necessário utilizar um agente redutor para obtê-lo a partir de seus minérios. O

monóxido de carbono (CO) é o agente redutor geralmente empregado.

Nesse sentido, é necessário utilizar o carvão (C) como matéria prima

para a produção do monóxido de carbono.

A seguir, são apresentadas as principais reações químicas que

ocorrem no interior do alto-forno:

1) Produção de energia e formação de monóxido de carbono (CO):

2C(s) + O2(g) ?á 2 CO(g) + energia (calor)Carvão Oxigênio do ar monóxido de carbono

Analisando a reação 1, podemos afirmar que o carbono (C) está

ganhando oxigênio e, portanto, sofrendo oxidação.

Nesse caso, a combustão do carvão tem dupla finalidade: fornecer o

calor necessário e, ao mesmo tempo, produzir o monóxido de carbono que vai

provocar a redução do minério.

2) Entendendo o processo de redução do ferro (que faz parte da

constituição do minério):

O ferro, que se encontra nos minérios, deve ser reduzido a ferro

metálico. O monóxido de carbono vai atuar como agente redutor. Trata-se de um

processo complexo e, do ponto de vista de nosso estudo, a reação mais importante

é a representada pela equação global abaixo.

Essa equação representa o que é observado no início do processo e

na saída do alto forno. No entanto, como já foi discutido anteriormente, nesse trajeto,

ocorrem várias etapas:

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2 Fe2O3(s) + 6 C(s) + 3 O2(g) ?á 4 Fe(s) + 6 CO2(g) + energiaminério de ferro carvão gás oxigênio ferro (metal) dióxido de carbono luz e calor

Na reação acima, o minério de ferro está perdendo oxigênio e,

portanto, sofrendo redução, ou seja, sendo reduzido a ferro metálico. Por sua vez, o

carvão está ganhando oxigênio e sendo oxidado a gás carbônico.

Como a temperatura na região inferior do alto-forno é muito superior

ao ponto de fusão do metal impuro, este funde, escorrendo para a parte inferior,

onde é recolhido. Esse ferro, que sai do alto-forno, chama-se ferro-gusa ou ferro-

fundido (mesmo depois de solidificado mantém esse nome). Contém cerca de 5 %

de carbono, sendo, por esse motivo, muito quebradiço.

O ferro gusa passa então por um processo de purificação, onde

pode conter em sua composição até cerca de 0,2 % de carbono, recebendo o nome

de ferro doce. O ferro com até cerca de 1,5 % de carbono é chamado de aço e

trata-se da liga metálica mais usada pela nossa civilização.

O resíduo dessa produção, rico em calcário, sílica e outras

impurezas, chamado escória, serve de matéria-prima para a fabricação de cimento.

3) Reação da escória:

I - CaCO3(s) ?á CaO(s) + CO2(g)

Carbonato de cálcio óxido de cálcio dióxido de carbono

II - CaO(s) + SiO2(s) ?á CaSiO3(s)

óxido de cálcio óxido de silício (ganga) silicato de cálcio (escória)

Algumas reflexões sobre a exploração dos recursos minerais

Sabemos que é inevitável a exploração de recursos minerais, pois a

sociedade industrial depende deles. Por outro lado, sabemos também que não se

pode permitir que a exploração mineral devaste o meio-ambiente. É preciso refletir

sobre esse problema, pois não podemos encarar a exploração dos recursos

minerais, como uma atividade desprovida de conseqüências ambientais, sociais,

políticas e econômicas.

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PARA VOCÊ PENSAR!

1. Você conhece o Projeto Carajás?

2. A Companhia Vale do Rio Doce, que mudou recentemente seu

nome para Vale, é uma das empresas responsáveis pela extração e comercialização

de minérios no Brasil. Essa companhia, que era estatal, foi privatizada no governo

do presidente Fernando Henrique Cardoso. Essa privatização foi uma boa opção

para o governo brasileiro?

3. Você acompanhou a discussão do plebiscito sobre a

privatização da Companhia Vale do Rio Doce?

4. O que o poeta Carlos Drummond de Andrade, quis dizer com o

seguinte pensamento: “Carajás é a saída ou o fundo do poço? Quem me explica

isso em língua fácil e troco miúdo?”

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REFERÊNCIAS

ADAS, Melhen. Panorama Geográfico do Brasil: contradições, impasses e desafiossocioespaciais. São Paulo: Editora Moderna, 2000.

BELTRAN, N.O.; CISCATO, C.A.M. Química: Coleção Magistério 2º Grau – SérieFormação Geral. São Paulo: Cortez Editora, 1991.

CANTO, Eduardo Leite do. Minerais, minérios, metais: de onde vêm? para ondevão? São Paulo: Moderna, 1996.

FERREIRA, M. Ligações Químicas: uma abordagem centrada no cotidiano.Disponível em:< http://www.iq.ufrgs.br/aeq/html/publicacoes/matdid/livros/pdf/ligacoes.pdf>. Acessoem: 22 nov. 2007.

GEPEQ. Interações e Transformações I: Elaborando Conceitos sobreTransformações Químicas. São Paulo: Edusp, 2005.

ROMEIRO, S. B. B. Química na Siderurgia. Disponível em:http://www.iq.ufrgs.br/aeq/html/publicacoes/matdid/livros/pdf/siderurgia.pdf. Acessoem: 25 nov. 2007.

SANTOS, W.L.P., MÓL, G.S. e outros. Química & Sociedade. São Paulo: NovaGeração, 2005.

SÃO PAULO. Secretaria de Estado da Educação. Coordenadoria de Estudos eNormas Pedagógicas. Proposta Curricular para o ensino de química: 2º grau. 2 ed.São Paulo: SE/CENP, 1988.