Metais e Ligas-metalicas

7/14/2019 Metais e Ligas-metalicas

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Disciplina de Didáctica

da Química I

Texto de Apoio

Metais e Ligas Metálicas

Adaptado de:V. Gil, J. C. Paiva, A. Ferreira, J. Vale, 12 Q - Química 12º Ano, Texto Editores, Lisboa.

2005.



Unidade I – Metais

10

Fig. 1.1

O elemento ferro portodo o lado: vias fér-reas, utensílios do-mésticos, ferrugem ecélulas vermelhas dosangue são só algunsexemplos.

1.1 METAIS E LIGAS METÁLICAS

1.1.1 A importância dos metais

Metais por todo o ladoA forma como os metais ocorrem na Terra e na história da Humanidade

A exploração mineira, o Ambiente e os metais como matérias-primas não renováveis

Metais por todo o lado

Quando num ensaio de uma orquestra sinfónica o maestro sussurra «…entram osmetais», é aos instrumentos metálicos, como as trompas, trompetes e trombones, que ele serefere e não, certamente, à Tabela Periódica dos Elementos, onde cerca de 80% dos lugaressão ocupados por símbolos de metais. Quando um jovem vibra num concerto heavy metal ,não é de intoxicação por metais pesados, como o mercúrio, o crómio e o cádmio, que setrata. Mudando de registo, quando um doente com anemia tem de tomar ferro, não é de«pregos» que precisa (salvo, se a palavra for tomada no sentido gastronómico), mas de pro-dutos alimentares com compostos de ferro em apreciável quantidade.

A palavra «metal» deriva de métallon (que significa mina, em grego) e assume, nosnossos dias, vários significados conforme o contexto em que é utilizada. No âmbito daQuímica, a palavra «ferro», por exemplo, pode referir-se ao material sólido com esse nomeutilizado em múltiplas aplicações – pontes e linhas de caminho de ferro (pois claro), com-boios e outras viaturas, edifícios, máquinas agrícolas, instrumentos industriais, mobiliário,utensílios domésticos, etc. – ou aos iões ferro, que por exemplo, intervêm na constituição da

hemoglobina (que a vida aguenta), ou fazem parte da ferrugem (que atormenta) (Fig. 1.1).



11

1.1 Metais e ligas metálicas

Como os iões ferro são átomos de ferro com deficiência de electrões, utilizam-se ossímbolos Fe2+ e Fe3+ para os seus iões, respectivamente com 2 e 3 electrões a menos emrelação ao átomo neutro, Fe. A designação «elemento ferro» aplica-se tanto a átomos Fe(incluindo os seus vários isótopos) como aos iões Fe2+ e Fe3+. O símbolo químico do ele-mento ferro é Fe, já que a palavra em latim é ferrum . Por exemplo, para um estudante portu-guês fixar este símbolo é mais fácil do que para um estudante inglês, espanhol ou alemão,

em que a palavra respectiva é iron , hierro e eisen . Para já não falar num estudante chinês,que usa o símbolo Fe e a palavra .

Suponha que, por um imaginário «passe de mágica», todo o ferro da localidade em quevive... simplesmente desaparecia (considere, para já, apenas o material sólido Fe(s) e não oelemento Fe; isto é, admita que continua a existir, com o seu coração a bombear o sangue ea respectiva hemoglobina que leva o oxigénio a todas as células). As cofragens das casas eos pré-esforçados dos pavimentos e telhados perderiam resistência e o resultado seriambrechas em toda a estrutura, que cedo acabaria por ruir. Os automóveis parariam quase irre-conhecíveis, transformados num amontoado de flácidos pneus, plásticos diversos e váriaspeças e revestimentos feitos de outros metais, como o alumínio e o crómio. Olhe à sua volta(pontes, linhas de caminho de ferro, etc.) e logo completará este cenário de destruição,embora, em alguns casos, tenha dúvida se o metal utilizado é ferro ou outro. A tabela 1.1mostra algumas das principais utilizações de vários metais e seus iões.

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Nome doelemento

Símboloquímico

Exemplo de aplicaçãoenquanto metal

Exemplo da relevância naforma de ião

Alumínio

Cobre

Crómio

Ferro

Ouro

Prata

Titânio

Al

Cu

Cr

Fe

Au

Ag

Ti

Portas e janelas,trens de cozinha, aviões

Tubagens, fios eléctricos

Revestimentos cromados, ferramentas

Edifícios, automóveis, navios, pontes

Joalharia, reserva monetária,revestimento de satélites

Joalharia, soldadura

Ferramentas, aviões

Sulfato de alumínio, Al2(SO4)3;tratamento de águas

Sulfato de cobre, CuSO4;fungicida

Óxido de crómio (VI), CrO3;tratamento de madeira

Óxido de ferro (III) hidratado,Fe2O3.xH2O; ferrugem

Complexos de ouro (I) com ácidotiomálico, tratamento da artrite

reumatóideBrometo de prata, AgBr;

fotografiaÓxido de titânio (IV), TiO2;

pigmento

Os efeitos não seriam muito diferentes dos que acima se descrevem se, por um rapi-díssimo «passe de Química», todo o ferro fosse transformado em iões positivos. O termo«oxidado» é o adjectivo correcto para esta transformação. Ferrugem seria o destino ime-diato do metal e desmoronamento, a consequência inevitável de todas as estruturasmóveis ou imóveis dependentes de ferro, já que a ferrugem não possui a consistência do

metal, além de que ocupa maior volume.

Tab. 1.1Relevância prática dealguns metais e seusiões.



12


Bem sabemos que a oxidação do ferro é um processo real – e «corrosão» é a palavraque reflecte a carga (semântica) negativa deste fenómeno – mas, felizmente, relativamentelento, sobretudo se forem tomadas algumas medidas anti-corrosão. Sabe a quanto amon-tam os prejuízos da corrosão metálica em Portugal? As estimativas apontam para 4-6% doPIB (Produto Interno Bruto), ou seja, cerca de 3 mil milhões de euros!

Mas, para não se terminar estes primeiros parágrafos num registo negativo, é bomlembrar que, além de haver formas de contrariar a corrosão dos metais, também há oxida-ções úteis, como sucede com a obtenção de corrente eléctrica a partir de pilhas (Fig. 1.2). OCapítulo 1.2 abordará estes assuntos, na dupla perspectiva dos conceitos químicos e daprática laboratorial.

Fig. 1.2

A oxidação dos metaisestá na origem defenómenos indesejá-veis de corrosão (A)mas também é muitoútil na obtenção decorrente eléctrica apartir de pilhas (B).

Fig. 1.3

A maioria dos ele-mentos da TabelaPeriódica são metais.

A forma como os metais ocorrem na Terra e na história daHumanidade

A história da Humanidade está intimamente relacionada com o aparecimento denovos materiais e novas técnicas. Os metais desempenham um papel fundamental nesta

evolução histórica. Este facto não constitui admiração já que os metais constituem cerca de80% dos elementos químicos conhecidos (Fig. 1.3). No entanto, o seu uso é relativamenterecente, porque, na sua maior parte, os metais não se encontram livres na natureza mascombinados com outros elementos, em regra oxigénio ou enxofre, formando compostos deonde têm de ser extraídos.

1

H1,01

Hidrogénio

G

3

Li6,94

Lítio

S 4

Be9,01

Berílio

S

11

Na22,99Sódio

S 12

Mg24,31Magnésio

S

19

K39,10

Potássio

S 20

Ca40,08

Cálcio

S 21

Sc44,96

Escândio

S 22

Ti47,87

Titânio

S 23

V50,94

Vanádio

S 24

Cr51,99

Crómio

S 25

Mn54,94

Manganês

S 26

Fe55,85

Ferro

S 27

Co58,93

Cobalto

S 28

Ni58,69

Níquel

S 29

Cu63,55

Cobre

S 30

Zn65,39

Zinco

S 31

Ga69,72

Gálio

L 32

Ge72,61

Germânio

S 33

As74,92

Arsénio

S 34

Se78,96

Selénio

S 35

Br79,90

Bromo

L 36

Kr83,80

Crípton

G

49

In114,82

Índio

S 50

Sn118,71

Estanho

S 51

Sb121,75

Antimónio

S 52

Te127,60

Telúrio

S 53

I126,90

Iodo

S 54

Xe131,29

Xénon

G

81

Tl204,38

Tálio

S 82

Pb207,20

Chumbo

S 83

Bi208,98

Bismuto

S 84

Po(209)

Polónio

S 85

At(210)

Astato

S 86

Rn(222)

Rádon

G

13

Al26,98Alumínio

S 14

Si28,09Silício

S 15

P30,97Fósforo

S 16

S32,06Enxofre

S 17

Cl35,45Cloro

G 18

Ar39,95Árgon

G

5

B10,81

Boro

S 6

C12,01

Carbono

S 7

N14,01

Azoto

G 8

O16,00

Oxigénio

G 9

F18,99

Flúor

G 10

Ne20,18

Néon

G

2

He4,00

Hélio

G

37

Rb85,47

Rubídio

S 38

Sr87,62

Estrôncio

S 39

Y88,91

Ítrio

S 40

Zr91,22

Zircónio

S 41

Nb92,91

Nióbio

S 42

Mo95,94

Molibdénio

S 43

Tc(98)

Tecnécio

44

Ru101,07

Ruténio

S 45

Rh102,91

Ródio

S 46

Pd106,42

Paládio

S 47

Ag107,87

Prata

S 48

Cd112,41

Cádmio

S

55

Cs132,91

Césio

L 56

Ba137,33

Bário

S 72

Hf178,49

Háfnio

S 73

Ta180,95

Tântalo

S 74

W183,84

Tungsténio

S 75

Re186,21

Rénio

S 76

Os190,23

Ósmio

S 77

Ir192,22

Irídio

S 78

Pt195,08

Platina

S 79

Au196,97

Ouro

S 80

Hg200,59

Mercúrio

L

87

Fr(223)

Frâncio

L 88

Ra(226)

Rádio

S

58

Ce140,12

Cério

S 59

Pr140,91

Praseodímio

S 60

Nd144,24

Neodímio

S 61

Pm(145)

Promécio

62

Sm150,36

Samário

S 63

Eu151,96

Európio

S 64

Gd157,25

Gadolínio

S 65

Tb158,93

Térbio

S 66

Dy162,50

Disprósio

S 67

Ho164,93

Hólmio

S 68

Er167,26

Érbio

S 69

Tm168,93

Túlio

S 70

Yb173,04

Itérbio

S 71Lu

174,97Lutécio

S

90

Th232,04Tório

S 91

Pa231,04Protactínio

S 92

U 238,03Urânio

S 93

Np (237)Neptúnio

94

Pu (244)Plutónio

95

Am(243)Amerício

96

Cm(247)Cúrio

97

Bk (247)Berquélio

98

Cf (251)Califórnio

99

Es (252)Einstêinio

100

Fm (257)Férmio

101

Md (258)Mendelévio

102

No (259)Nobélio

103

Lr (262)Laurêncio

104

Rf(261)

Rutherfórdio

105

Db(262)

Dúbnio

106

Sg(263)

Seabórgio

107

Bh(264)

Bóhrio

108

Hs(265)

Hássio

109

Mt(268)

Meitnério

110

Ds(269)

111

Uuu(272)

112

Uub(277)

UnunúnioDarmstádio Unúmbio

114

Uuq(285)

Ununquádio

S 116

Uuh(289)

Ununhéxio

118

Uuo(293)

Ununóctio

57 *

La138,91

Lantânio

S

89 **

Ac(227)

Actínio

S

Metais

Semi-metais

Não-metais

A B



32


Ligas metálicas

Outra consequência directa da estrutura dos metais é a possibilidade de se formarem

ligas metálicas, normalmente misturas homogéneas de um metal com um ou mais ele-

mentos metálicos ou não metálicos. Trata-se, então, de verdadeiras soluções sólidas, obti-

das a partir da mistura dos componentes fundidos, seguida de arrefecimento. Com efeito, é

fácil imaginar a substituição de alguns cernes na estrutura do metal principal, normalmente

um metal de transição, por átomos de outros elementos, mantendo-se, na essência, o «mar»

de electrões. Alternativamente, quando os raios atómicos são muito diferentes, os átomos

mais pequenos ocupam os intervalos entre os maiores (ligas metálicas intersticiais).

Os metais predominantes nas ligas metálicas

são metais de transição. Por exemplo, o bronze é

uma liga de cobre e estanho. A tabela 1.4 mostra os

principais componentes de várias ligas e aplicações

destas.

Tipo de liga Composição Aplicações

Aços

Aço inox

Amálgamas

Bronze

Constantan

Cuproníquel

Duralumínio

Latão

Nitinol

Ouro amarelo

Ouro branco

Solda

Ferro + carbono (0,2% - 2%)

Ferro + crómio (+ níquel)

Mercúrio + outro metal

Cobre + estanho

Cobre + níquel

Cobre + níquel

Alumínio + cobre

Cobre + zinco

Níquel + titânio

Ouro + prata + cobre

Ouro + zinco + cobre ou ouro +níquel + paládio

Chumbo + Estanho

Construção civil, indústria

metalomecânica, ferramentas

Peças de máquinas, tubagem,

utensílios, ferramentas

Deposição de metais em camada

delgada, medicina*

Peças para navios, parafusos,escultura, objectos decorativos

Termopares metálicos,resistências eléctricas

Tubagens, moedas

Aeronáutica, automóveisde competição.

Construções metálicas, utensílios

Medicina, segurança contra incêndios,

armação de óculos, joalharia

Joalharia, cunhagem de moeda

Joalharia

Soldadura

*Até há bem pouco tempo, usavam-se amálgamas de prata na obturação de dentes. Porém, a demonstração de que liber-

tavam mercúrio, altamente tóxico, viria a conduzir à sua substituição por compósitos cerâmicos.

Fig. 1.24

Imagem obtida por

microscopia de efeito

túnel de átomos de

ouro sobre um subs-tracto de grafite.

Tab. 1.4

Ligas metálicas: prin-

cipais componentes e

algumas aplicações.

Questão 1.9



33

1.1 Metais e ligas metálicas

Há, em princípio, uma infinidade de possibilidades para a composição, qualitativa e

quantitativa, de ligas metálicas, umas mais interessantes do que outras em termos de apli-

cações práticas. Por exemplo, uma liga de ferro e carbono, com cerca de 4% deste ele-

mento, tem pouco interesse prático por ser muito quebradiça. Já com uma percentagem de

0,1% de carbono, é possível fabricar arames finos, como sucede com os vulgares clips e

agrafos. Com 1% de carbono, obtém-se uma liga ainda mais resistente, utilizada, por exem-

plo, em arames para estruturas como pneus de automóveis.

A adição de outros componentes em pequena proporção pode conduzir a propriedades

bastante diferentes. Por exemplo, a presença no aço, de metais como manganésio (ou man-

ganês), Mn, molibdénio, Mo, tungsténio (ou volfrâmio), W, e vanádio, V (para além de Cr e

Ni que intervêm no aço inox) permite obter ligas extremamente resistentes como as neces-

sárias, por exemplo, ao fabrico de ferramentas (Fig. 1.25). Parte desta resistência é devida à

formação de carbonetos, designadamente com W e V; trata-se de microcristais formados por

associação de átomos de carbono com átomos do metal.

A inclusão de chumbo (baixo ponto de

fusão) na constituição do bronze torna o material

menos duro. Note-se que o próprio ouro de joa-

lharia não é ouro puro, visto que o ouro puro é

relativamente quebradiço. Com a adição de prata

e cobre obtém-se um material mais dúctil. O ouro

puro designa-se por ouro de 24 quilates (24 K).

O ouro puro é por vezes encarado como representando o ouro de lei. Trata-se de uma

associação infeliz dado que o ouro de lei refere-se a qualquer tipo de ouro permitido pela lei.

Há vários anos atrás, o ouro de lei em Portugal referia-se ao ouro 19,2 K. Actualmente este não

é o único. Ao «ouro» de 18 K corresponde uma percentagem de ouro de 75% (18/24 = 0,75) e

ao «ouro» de 14 K uma percentagem de 58% (14/24 = 0,58). Determinadas inscrições denomi-

nadas marcas de contrastaria permitem identificar a percentagem de ouro numa jóia ou peça.

O nitinol é um exemplo de liga metálica com efeito de «memória de forma». Outros

exemplos são ouro + cádmio, cobre + alumínio e cobre + alumínio + níquel. Trata-se de

materiais que, ao serem submetidos a uma deformação, são capazes de, espontaneamente,

recuperar a forma original através de aquecimento moderado. O princípio básico deste fenó-meno é a ocorrência de uma mudança brusca da rede cristalina dos átomos quando o mate-

rial é deformado (pode falar-se de uma mudança de fase, mantendo-se o mesmo estado

físico de agregação: sólido). Posteriormente, ao ser aquecido, esta nova estrutura deixa de

ser estável, e o material volta à forma original.

Também na produção de moedas se conjugam vários metais para obter as proprieda-

des desejadas.

A Actividade Laboratorial AL 1.1 – Composição de uma liga metálica – propõe a aná-

lise da composição de ligas metálicas em moedas.

Fig. 1.25

As chaves de parafu-

sos têm frequente-

mente indicação da

presença de crómio e

vanádio.

ACTIVIDADE

LABORATORIAL



34


Cristais metálicos e não-metálicos

As estruturas dos metais, anteriormente consideradas, constituem exemplos simples

de estruturas cristalinas, pois trata-se de átomos de um único elemento organizados de

forma contínua, embora em diferentes tipos de empacotamento regular: cristais metáli-

cos. As outras substâncias elementares não-metálicas sólidas dividem-se em duas catego-

rias, consoante as unidades estruturais sejam moléculas ou simplesmente átomos ligados

covalentemente uns aos outros de forma contínua. O iodo, I2 (s) é um exemplo da categoria

de cristais moleculares, e o diamante, C (s) um exemplo da categoria de cristais cova-

lentes. Os compostos sólidos cristalinos podem ser estruturas covalentes gigantes, como a

sílica (fórmula empírica, SiO2), cristais moleculares como o gelo, ou cristais iónicos, como

o cloreto de sódio, NaCl (s), com iões Na+ e Cl– organizados alternada e regularmente no

espaço.

Em resumo, temos:

• Cristais metálicos

• Cristais não-metálicos:

– Cristais iónicos;

– Cristais covalentes;

– Cristais moleculares.

Cristais iónicos

Os cristais iónicos são constituídos por um arranjo contínuo tridimensional de iões posi-

tivos e iões negativos, frequentemente com uma base estrutural cúbica, em que as atracções

de iões de carga contrária superam as repulsões entre iões de igual carga. A figura 1.27 mos-

tra a estrutura do cloreto de sódio em dois modelos. Podemos supor um cubo cujos vértices

e centros de faces são ocupados pelos núcleos de Cl– e os meios das arestas e o centro do

cubo ocupados pelos núcleos Na+. Como cada ião está rodeado de 6 iões de carga oposta,

diz-se que se trata de um exemplo de coordenação 6:6.

O arame que se «lembra» da sua forma

A prop ri ed ade de um ar ame da li ga

««Nitinol» adquire, por aquecimento, a

forma que lhe tenha sido conferida ante-

riormente (em frio, seguida de aqueci-

mento) deve-se à existência de duas fases

cristalinas: uma estável a temperaturas bai-

xas e outra a temperatura alta.

Esta potencialidade de «memória dos metais» é usada em cirurgia, quando é necessário

que certas próteses cirúrgicas sejam inseridas no organismo num formato diferente

daquele que interessa que tenham mais tarde, à temperatura corporal.

Fig. 1.26

Ligas metálicas usa-

das em cirurgia (cor-

tesia Admedes, Ale-

manha).

Metais e Ligas-metalicas

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