Universidade Federal de Goiás

Universidade Federal de Goiás

Instituto de Física

Laboratório de Ressonância Magnética

Orientando: Daniel Matias da Silva Santos daniel@fisica.grad.ufg.br

Orientador: Fernando Pelegrini pelegrin@fis.ufg.br

Estudo por Ressonância Paramagnética

Eletrônica de Cerâmicas de Xisto e Xisto/Argila

Introdução

Este trabalho tem por finalidade investigar a possibilidade do uso do xisto da região de Portelândia - Goiás, puro e associado a outros materiais, como matéria prima para produção de cerâmicas, avaliando os efeitos de compactação e tratamentos térmicos. Através da experiência de Ressonância Paramagnética Eletrônica determinamos as modificações dos espectros do querogênio o dos metais de transição (Fe³⁺, Mn²⁺) presentes na amostra, avaliando os efeitos de transformações físicas e químicas produzidas por tratamento térmico.

O interesse inicial pelo aproveitamento dos rejeitos do processamento do xisto deu origem, a partir da década de oitenta, às atuais linhas de pesquisa em materiais cerâmicos.

Palavras Chave: Xisto, Cerâmica, RPE.

Materiais e Métodos

Em uma experiência de Ressonância Paramagnética Eletrônica, a amostra em estudo é exposta em uma cavidade especial, a um fluxo contínuo de radiação eletromagnética de alta frequência, a faixa de micro-ondas, sob ação de um campo magnético intenso e estático, gerado por um eletromagneto, e um campo fraco de modulação, gerado por bobinas de Helmholtz.

A propriedade fundamental de um elétron é seu momento angular intrínseco S, denominado spin. O momento magnético de um elétron é dado por:

µ_e = -gβS

(1)

onde g é uma constante conhecida como fator de Landé, β é o magneton de Bohr, e S é o spin eletrônico.

Se aplicarmos um campo magnético estático sobre o sistema, a energia de interação entre o campo e o momento magnético eletrônico será dada por:

H = - µ_e.H

(2)

Substituindo a equação (1) em (2) e tomando a direção do campo externo aplicado H na direção do eixo z, obtemos:

H = gβHS_z

(3)

onde S_z é a componente do spin eletrônico na direção do campo magnético aplicado.

Como S_z = ± ½ para o elétron teremos duas orientações permitidas para o spin, chamadas de "paralela" ou de "antiparalela" ao campo magnético H.

Temos então dois valores possíveis para a energia:

H = ± (½)gβH

(4)

conhecida por energia Zeeman.

Para induzir transições entre estes dois estados de spin deve ser cedida ao sistema uma energia de valor igual a ΔE = gβH (diferenηa entre os níveis de energia). Se for aplicado sobre o sistema um campo magnético oscilante de freqüência ν pode-se obter a energia necessária para a transição. Neste caso a energia do fóton hν deve corresponder a energia necessária para a transição, isto é,

hν = gβH

(5)

A ressonância é caracterizada apenas por dois parâmetros, seu valor de g, calculado com a relação (5) e a forma da linha. Através destes parâmetros podemos reconhecer a presença de certas espécies químicas presentes nas amostras analisadas.

No caso geral, a energia total do sistema é diferente da equação (2) sendo acrescentados termos referentes a outras interações. Uma interação importante é a interação entre o spin eletrônico e o spin nuclear chamada de interação hiperfina.

Resultados e discussão

Foram preparadas amostras finamente pulverizadas e compactadas a alta pressão, na forma de pastilhas, de xisto puro e misturado com diferentes materiais, na proporção de 1:1. Com o objetivo de verificar possíveis alterações no espectro de RPE das amostras, realizamos experimentos com as amostras tratadas termicamente a diferentes temperaturas. Essas amostras estão relacionadas na tabela 1.

Tabela 1- Características das amostras. As amostras foram preparadas na

proporção de um para um.

Amostra	Constituição	Dimensão dos Grãos (μm)	Tratamento Térmico
1	Xisto Puro	70 < d < 120	Sem Aquecimento
2	Xisto Puro	70 < d < 120	500º C por 1 hora
3	Xisto + Argila	D < 70	500º C por 1 hora
4	Xisto + Níquel Oxidado	70 < d < 120	500º C por 1 hora
5	Xisto + Níquel Silicatado	70 < d < 120	500º C por 1 hora
6	Xisto Puro	70 < d < 120	800º C por 2 horas
7	Xisto + Argila	D < 70	800º C por 2 horas
8	Xisto + Níquel Oxidado	70 < d < 120	800º C por 2 horas
9	Xisto + Níquel Silicatado	70 < d < 120	800º C por 2 horas

Através do espectro de RPE do xisto natural (Figura 1), percebemos a presença de Fe³⁺, Mn²⁺ e querogêneo (hidrocarbonetos). Isso foi possível devido ao reconhecimento das linhas características e pelo fator g dessas espécies químicas. Em banda-X (9,6 GHz) de freqüência de micro-ondas, o íon Fe³⁺ apresenta um sinal de ressonância em um campo de aproximadamente 1600 G (fator-g = 4.27, característico de íons Fe³⁺ em sítios ortorrômbicos distorcidos), e outro sinal em um campo de aproximadamente 3300 G (fator g = 2.10, característico de íons Fe³⁺ em sítios de simetria cúbica). Já o íon Mn²⁺, com fator-g = 2.0065 9centro do espectro), apresenta um espectro desdobrado em seis linhas com espaçamento entre linhas em torno de 90G. Esse desdobramento ocorre devido à interação hiperfina elétron-núcleo (o spin nuclear I do íon Mn²⁺ é igual a 5/2, e o número de linhas devidas à interação hiperfina é N = 2I + 1). O querôgenio apresenta uma única linha estreita e um fator g de aproximadamente 2,0028.

Comparando os espectros das amostras 1, 2 e 6 observamos uma redução considerável da intensidade do sinal do querogênio devido ao tratamento térmico. Isto ocorre porque a elevação de temperatura promove o rompimento das ligações heteroatômicas das moléculas de querogênio, e os heteroátomos são parcialmente liberados, especialmente o oxigênio na forma de CO₂ e H₂O.

Os espectros das amostras com argila não apresentaram diferenças significativas se comparadas com as amostras de xisto puro aquecido.

O sinal do sextupleto hiperfino do Mn²⁺ não aparece nas amostras 4, 8 e 9, o que evidencia a ocorrência de processos de recombinação química ativados pelo tratamento térmico. Já na amostra 5 ainda ocorre a presença deste sinal, o que nos mostra que o processo de recombinação química é acelerado com o aumento da temperatura, visto que na amostra 9 a temperatura e o período de aquecimento foram superiores.

Conclusão

De acordo com o que foi proposto neste plano de trabalho de iniciação científica, que é a caracterização por RPE de cerâmicas de xisto puro e de misturas de xisto com outros materiais, os objetivos iniciais foram alcançados.

Não podemos concluir, entretanto, que o xisto da região de Portelândia é uma matéria prima viável para a fabricação de cerâmicas, visto que ainda não foram realizados estudos sobre a estrutura e dureza das amostras. Esses estudos, bem como as investigações sobre a contribuição dos diversos materiais para o processo de sinterização, serão realizados posteriormente.

Finalizando, constatamos que a técnica de Ressonância Paramagnética Eletrônica se constitui num bom método experimental para a verificação de propriedades paramagnéticas de qualquer material.

Referências Bibliográficas

SOUZA, J. J. F., "Estudo por Ressonância Paramagnética do Querogênio do Xisto da Formação de Irati". Dissertação de Mestrado. Rio de Janeiro, IF/UFRJ, 1983.

BARBERIS, G. E. & DONOSO, J. P., "Descrição Quântica de Espectros de Ressonância Paramagnética Eletrônica", Revista Brasileira de Ensino de Física, Vol. 19, nº 1, p. 125-135, março 1997.