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:

µe = -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 = - µe.H

(2)

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

H = gβHSz

(3)

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

Como Sz = ± 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