Talpeanu Bogdan Gabriel Clasa a IX-a B Metalele sunt substante solide la temperatura obisnuita, cu exceptia mercurului, care este lichid. Proprietatile caracteristice ale metalelor, ca de exemplu conductibilitatea electrica si conductibilitatea termica, sunt explicate prin natura structurala si electronica a metalelor. In cristalele metalelor, asezarea atomilor se face dupa principiul unei structuri cat mai compacte. De aceea metalele cristalizeaza in unul din cele trei tipuri de retele cristaline: cubica compacta, hexagonala compacta si cubica centrata intern. In metalele compacte, atomii sunt legati intre ei prin electronii de valenta care insa nu mai apartin fiecarui atom in parte, ci tuturor atomilor invecinati, fiind repartizati pe benzi de energie. Proprietatile metalelor Metalele prezinta proprietati diferite de cele ale nemetalelor. Toate proprietatile caracteristice metalelor sunt valabile pentru metalele in stare solida si lichida. In stare gazoasa metalele nu se mai deosebesc de nemetale. Proprietati fizice Metalele au luciu caracteristic, numit luciu metalic, datorita puterii lor de reflexie a luminii. Metalele sunt opace, chiar in strat subtire, deoarece undele luminoase lovind electronii mobili din metal sunt amortizate si nu sunt transmise mai departe. 1)Culoarea metalelor este variata. Cele mai multe metale in stare compacta sunt albe, intelegand prin alb, albul metalic; astfel, plumbul, argintul sunt considerate metale albe. Cateva metale sunt insa colorate: cuprul este galben-rosiatic, aurul—galben, cesiul—galbui etc. Cand sunt in pulbere fina, aproape toate metalele au culoare cenusie-neagra. In tehnica, metalele sunt clasificate in: metale negre sau feroase, prin care se intelege fierul (impreuna cu fontele si otelurile), si metalele colorate, adica neferoase. 2)Densitatea metalelor variaza in limite largi; de exemplu, litiul are densitatea 0,53 sau potasiul are densitatea 0,86, pe cand platina are densitatea 21,45, iar osmiul, cel mai greu metal, are densitatea22,5. Se obisnuieste sa se considere metalele cu densitatea mai mica decat 5, metale usoare, iar cele cu densitatea peste 5, metale grele. Astfel, potasiul, sodiul, calciul, magneziul, aluminiul sunt considerate metale usore, pe cand zincul, staniul, fierul, cuprul sunt metale grele. 3)Punctul de topire variaza forte mult de la metal la metal. Mercurul, singurul metal lichid, are punctul de topire –39°C; potasiul si sodiul se topesc la temperaturi sub 100°C (potasiul la 63,5°C, decat 1000°C; de exemplu, cuprul se topeste la 1083°C, fierul la sodiul la 97,8°C). Sunt, insa, metale al caror punct de topire este mai inalt 1536°C, wolframul la 3410°C. In general, metalele cu volum atomic mic se topesc la temperaturi ridicate, pe cand metalele cu volum atomic mare se topesc la temperaturi scazute, deoarece reteaua lor cristalina se distruge mai usor. Diferenta intre punctele de topire a metalelor este folosita pentru separarea metalelor intre ele, la fabricarea aliajelor si la prelucrarea metalelor. 4)Conductibilitatea electrica specifica, adica conductivitatea, γ, a metalelor este mare. Cand nu este sub influenta unui camp electric exterior, in metalul compact nu se manifesta un transport de sarcini, sesizabil; electronii din orbitalii moleculari ocupati ai benzii se misca fara o directie privilegiata. Ca urmare, electronii din orbitali ocupati nu participa la transportul curentului electric. La aplicarea unei diferente de potential, electronii din orbitalii moleculari ocupati capatand un surplus de energie sunt promovati in orbitali moleculari vecini, neocupati, din banda de energie partial ocupata si preiau transportul de curent. Se intelege ca metalele alcaline, la care banda de valenta este umpluta pe jumatate, au conductibilitatea electrica mai buna decat metalele alcalino-pamantoase, la care banda de valenta este complet ocupata. Buna conductibilitate electrica manifesta si metalele din grupa I B, adica Cu, Ag, Au, explicata prin volumele lor atomice, care sunt mici. Conductibilitatea electrica a metalelor este influentata de oscilatiile atomilor in jurul pozitiilor fixe din reteaua cristalina, de neregularitatile retelei cristaline, cum si de prezenta unor atomi straini continuti ca impuritati in retea. Deoarece prin cresterea temperaturii, oscilatiile atomilor se intensifica, undele stationare ale electronilor se formeaza mai greu, deci conductibilitatea electrica a metalului scade. La racire, fenomenul este invers: oscilatiile atomilor in jurul pozitiilor lor din reteaua cristalina slabesc, undele stationare ale electronilor se formeaza mai usor, deci conductibilitatea electrica a metalului creste. Aproape de zero absolut (-273°C), metalele isi pierd complet rezistenta electrica si devin conductori „ideali”. Acest fenomen se numeste supraconductibilitate. 5)Rezistenta electrica specifica sau rezistivitatea, adica rezistenta pe care o opune curentului electric o portiune din metal cu o sectiune de 1 cm2 si o lungime de 1 cm, se exprima in Ω·cm. La 20°C, rezistenta electrica specifica a argintului este1,62·106 Ω·cm, a cuprului 1,72·106 Ω·cm, a aluminiului 2,82·106 Ω·cm, a plumbului 20,63·106 Ω·cm ,a mercurului 95,9·106 Ω·cm etc. Continutul de substante straine intr-un metal mareste rezistenta lor electrica, deoarece atomii substantelor straine intra in reteaua cristalina a metalului si impiedica astfel formarea undelor stationare ale electronilor. De aceea, pentru rezistente electrice se folosesc aliaje si nu metale pure. Astfel, pe cand rezistenta electrica specifica a nichelului este 7·106 Ω·cm si a cromului este 15,8·106 Ω·cm, un aliaj cu 20% nichel si 80% crom are rezistenta electrica specifica 110·106 Ω·cm. Cu cat un metal are rezistenta electrica specifica mai mica, cu atat conduce mai bine curentul electric. Cea mai mare conductibilitate electrica o au argintul (0,98 Ω-1·cm-1), cuprul (0,593 Ω-1·cm-1), aurul (0,42 Ω-1·cm-1) si aluminiul (0,38 Ω-1·cm-1) si cea mai mica o au plumbul (0,046 Ω-1·cm-1) si mercurul (0,011 Ω-1·cm-1). Asa se explica de ce conductoarele electrice (sarmele) se fac din cupru sau aluminiu. 6)Conductibilitatea termica specifica, adica conductivitatea termica, se datoreaza de asemenea miscarilor electronilor in banda de valenta. Ea se masoara prin cantitatea de caldura care se propaga timp de o secunda printr-un centimetru cub din metalul respectiv si se exprima in J·cm-1·s-1·grd-1. Dintre metale, cea mai mare conductivitate termica au argintul (4,1 J·cm-1·s-1·grd-1), cuprul (3,9 J·cm-1·s-1·grd-1), aurul (3 J·cm-1·s-1·grd-1) si aluminiul (2,1 J·cm-1·s-1·grd-1); cea mai slaba conductivitate termica au plumbul (0,13 J·cm-1·s-1·grd-1) si mercurul (0,08 J·cm-1·s-1·grd-1). Conductibilitatea termica a metalelor are mare importanta in tehnica. Astfel, instalatiile la care se cere o incalzire si racire rapida, cum sunt cazanele de abur, schimbatoarele de caldura, caloriferele, radiatoarele automobilelor, se fabrica din metale cu buna conductibilitate termica. Proprietati mecanice Datorita starii metalice, metalele se caracterizeaza prin proprietati de plasticitate, maleabilitate, ductilitate, tenacitate etc., care au deosebita importanta practica. 1)Plasticitatea este proprietatea metalelor (si aliajelor) de a se deforma permanent cand sunt supuse unei tensiuni exercitate din exterior. Deformarea plastica nu dispare cu cauza care a produs-o. Se considera ca deformarile plastice produse la metale in stare compacta cauzeaza o translatie in reteaua cristalina de-a lungul unor planuri reticulare. Trebuie observat ca si in retelele ionice, fortele de legatura nu sunt dirijate. In cursul translatiei, insa, simetria repartizarii sarcinilor este puternic perturbata, iar fortele de respingere rezultate sunt atat de puternice incat pot conduce la scindarea cristalului. Plasticitatea influenteaza maleabilitatea si ductilitatea. 2)Maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras in foi prin comprimare la o temperatura inferioara punctului de topire. Sub actiunea fortelor exterioare, cristalele metalelor se deformeaza dupa anumite planuri de reticulare. Maleabilitate depinde de structura cristalina a metalelor; ea se manifesta cel mai intens la metalele care cristalizeaza in retele cubice cu fete centrate. Ea depinde de asemenea de temperatura, si anume creste pana la o anumita temperatura, dupa care scade si metalele devin casante. Cresterea maleabilitatii cu temperatura se datoreaza slabirii coeziunii dintre cristale, iar scaderea ei este cauzata de formarea unor pelicule de oxid intre cristale. Exista si alti factori care influenteaza maleabilitatea cristalelor. 3)Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras in fire; ea depinde de plasticitate si de maleabilitate. 4)Tenacitatea este proprietatea unui metal de a cuprinde o energie mare de deformare plastica. Metalele care au tenacitate mare sunt rezistente, pe cand cele cu tenacitate mica sunt casante. Proprietati chimice Metalele au caracter electropozitiv, deoarece atomii lor au tendinta sa cedeze electronii din straturile electronice exterioare si astfel trec in ioni cu sarcina pozitiva. Prin faptul ca cedeaza electroni, metalele sunt reducatori. Prin asezarea metalelor dupa ordinea crescanda a potentialelor de oxidare standard, se obtine seria potentialelor electrochimice sau seria tensiunilor metalelor. Li Cs K Ba Ca Na Mg Al Zn Pb Cr Fe Cd Ni Sn Pb H Cu Hg Pt Au Nu se gasesc in stare nativa Rareori in stare Deseori In stare nativa in stare nativa nativa Inlocuiesc hidrogenul Inlocuiesc hidrogenul Atacate Nu sunt din apa din apa la cald si din de acizii atacate 38597ico14cmr2k acizi diluati oxidati de acizi Se oxideaza in aer Se oxideaza in aer la cald Se oxideaza Nu se la rece in aer la oxideaza incalzire in aer puternica Scaderea caracterului electropozitiv Cresterea tendintei cationilor de a accepta electroni Cu cat metalul este asezat mai mult la inceputul seriei, cu atat cedeaza mai usor electroni de valenta trecand la ioni, adica este mai activ; acceptarea electronilor de catre ioni, adica refacerea atomilor din ioni, este cu atat mai accentuata cu cat metalul se gaseste asezat mai la sfarsitul seriei. Combinarea metalelor cu oxigenul se face cu atat mai energic cu cat metalul este asezat mai la inceputul seriei. Astfel potasiul, calciul, sodiul, se oxideaza direct in aer, la temperatura obisnuita; metalele de la magneziu pana la plumb se oxideaza in aer la incalzire; cuprul si mercurul se oxideaza in aer numai la incalzire foarte puternica, iar argintul, platina si aurul nu se combina direct cu oxigenul la nici o temperatura. Din aceasta cauza ele se numesc metale pretioase (sau nobile), spre deosebire de celelalte, numite metale obisnuite (sau nenobile). Cu cat oxidarea se face mai energic, cu atat oxidul rezultat este mai stabil si deci mai greu redus de hidrogen. De exemplu, pe cand oxidul de calciu nu poate fi redus de hidrogen, oxidul de cupru este redus usor, chiar prin trecerea unui curent de hidrogen peste masa incalzita. Oxizii metalelor sunt anhidride bazice, spre deosebire de oxizii nemetalelor, care sunt anhidride acide. Aceasta diferentiere nu este insa stricta, deoarece si oxizii unor metale, mai ales ai celor cu valente superioare, formeaza acizi; de exemplu, Mn2O7 formeaza acidul permanganic, HMnO4. De asemenea exista oxizi de metale cu caracter amfoter, de exemplu Al2O3. Totdeauna insa la metale, cand au mai multi oxizi, cel putin un oxid este bazic. Dupa asezarea metalelor in serie fata de hidrogen rezulta comportarea lor diferita. Metalele asezate inaintea hidrogenului il pot inlocui in combinatii, deoarece atomii lor cedeaza electroni mai usor decat atomii de hidrogen; cu cat metalul este asezat mai departe de hidrogen, cu atat il inlocuieste cu mai multa energie. Astfel, potasiul si sodiul inlocuiesc energic hidrogenul din apa chiar la temperatura obisnuita; magneziul reactioneaza cu apa la fierbere; fierul descompune vaporii de apa la incandescenta. Metalele asezate in serie dupa hidrogen nu-l inlocuiesc, deoarece atomii lor cedeaza mai greu electronii decat atomii de hidrogen. Astfel, cuprul si argintul nu reactioneaza cu apa in nici o conditie. In mod similar se comporta metalele si fata de acizi. Pe cand metalele de la inceputul seriei pana la hidrogen reactioneaza cu acizii diluati, punand hidrogenul in libertate, metalele de la cupru pana la argint sunt atacate numai de acidul azotic si de acidul sulfuric concentrat (acizi oxidanti), iar platina si aurul nu sunt atacate de nici un acid. Cu halogenii, metalele se combina direct formand halogenuri, energia de combinare fiind cea mai accentuata la metalele alcaline. Astfel, potasiul reactioneaza violent cu clorul, producand explozie; platina si aurul nu sunt clorurate decat de apa regala. Toate metalele, cu exceptia aurului, se combina cu sulful formand sulfuri; metalele alcaline reactioneaza la cald energic cu sulful, pe cand platina nu reactioneaza decat in stare fin divizata (pulbere). In general, cu cat metalele se gasesc in stare de diviziune mai fina, cu atat combinarea lor cu sulful este favorizata. Cand sarurile metalice sunt dizolvate in apa, prin disociere electrolitica metalul are rol de cation. De exemplu, la disocierea clorurii de sodiu, sodiul are rolul de cation, iar clorul, de anion (Na+, Cl-). De aceea, metalele se mai definesc drept elemente care formeaza cationi simpli, cand combinatiile acestor elemente sunt dizolvate in apa. Obtinerea metalelor In natura, metalele se gasesc in pamant, insa numai putine in stare libera, adica in stare nativa. Acestea sunt metalele cele mai putin active: aurul, platina, argintul si mercurul. Toate celelalte metale se gasesc in stare combinata, sub forma de oxizi, sulfuri, sulfati, carbonati, cloruri, silicati etc. Combinatiile metalelor existente in natura mai mult sau mai putin pura se numesc minerale. Dintre oxizi, mai importanti sunt: Fe2O3—hematitul; Fe3O4— magnetitul; 2Fe2O3·3H2O—limonitul; Al2O3·2H2O—bauxita; SnO2—casiteritul; MnO2—piroluzit; FeO·Cr2O3cromitul. Dintre sulfuri, mai importanti sunt: PbS—galena; ZnS—blenda; FeS2—pirita; CuS·FeS—calcopirita; FeAsS—mispichelul; HgS—cinabrul; Ag2S—argentitul; Sb2S3—stibina. Dintre carbonati, mai importanti sunt: FeCO3—sideroza; CuCO3·Cu(OH)2—malahitul; MgCO3—magnezitul; BaCO3—witeritul. Cand mineralele contin o cantitate suficient de mare de metale (sau nemetale), incat extragerea lor sa fie convenabila din punct de vedere tehnico-economic, ele se numesc minereuri. De exemplu, minereul de fier trebuie sa contina cel putin 30% Fe, fie in oxizi, fie in carbonati; minereul de cupru trebuie sa contina cel putin 2% Cu, in sulfuri sau oxizi. Uneori minereurile contin mai multe metale a caror extractie este convenabila. Asemenea minereuri se numesc polimetalice (de exemplu minereul de fier si vanadiu sau minereul de argint si plumb). Exista si minereuri care, pe langa metalul principal, contin si nemetale, de obicei sub forma de combinatii a caror extractie prezinta interes industrial. Asemenea minereuri se numesc minereuri complexe (de exemplu minereul de fier cu fosfor). Procedeele de obtinere a unui metal din minereu constituie metalurgia metalului respectiv. Ea cuprinde operatiile de imbogatire a minereului, de exemplu a metalelor din minereu, cum si de purificare a metalelor obtinute in stare bruta (rafinare). Extragerea metalelor din minereuri Extragerea unui metal dintr-un minereu se face diferit dupa natura chimica a combinatiei metalice. Cand minereul este format din carbonati, el se supune in prealabil unei calcinari pentru indepartarea dioxidului de carbon; metalele raman astfel sub forma de oxizi, care sunt tratati mai departe ca si minereurile de oxizi. Minereurile sulfuroase, in general, sunt supuse unei prajiri prealabile pentru indepartarea sulfului (sub forma de dioxid de sulf) si transformarea sulfurii in oxid. In principiu, procedeele de obtinere a metalelor se incadreaza in trei metode: 1)reducerea pe cale chimica; 2)electroliza; 3)disocierea termica a unor combinatii. Reducerea pe cale chimica. Aceasta metoda are multiple aplicatii: Reducerea oxizilor. Oxizii se reduc cu atat mai usor cu cat caldurile lor de formare sunt mai mici. Drept agenti reducatori se folosesc carbonul, hidrogenul si unele metale. Carbonul (sub forma de cocs, mai rar mangal) este unul din cei mai buni reducatori folositi in metalurgie. In forma generala, ecuatia pentru reducerea unui oxid de metal divalent cu carbon este: 2MO+C→2M+CO2 Carbonul fiind solid, contactul lui cu particulele de minereu nu este prea strans. In schimb, produsul oxidarii sale, oxidul de carbon, un gaz, este agentul reducator in majoritatea cazurilor. Hidrogenul este un reducator foarte activ, folosit mai ales in laborator, de exemplu pentru reducerea oxidului de fier: Fe3O4+4H2→3Fe+4H2O Metoda este intrebuintata uneori si in tehnica pentru obtinerea unor anumite metale, de exemplu wolframul. Prin aceasta metoda metalul se obtine in forma fin divizata ca pulbere, cand este foarte reactiv. Metalele se folosesc ca agenti de reducere in cazul cand reducerea cu carbune a oxizilor conduce la formare de carburi. Cel mai mult este folosit aluminiul sub forma de pulbere, ca agent reducator al oxizilor de metale care se topesc la temperaturi foarte ridicate, cum sunt Fe, V, Cr, Mn, W. Reactia dintre oxidul de metal si aluminiul este puternic exoterma: Fe2O3+2Al→Al2O3+2Fe+Q astfel incat temperatura se ridica la circa 2400°C. Metalul se topeste si se separa de stratul de oxid de aluminiu rezultat din reactie. In locul aluminului se foloseste uneori calciul sau magneziul. De exemplu: MoO3+3Ca→Mo+3CaO. Reducerea sulfurilor. Obtinerea metalelor prin reducerea sulfurilor se face prin diferite metode. Prajirea sulfurilor, desi este o operatie premergatoare reducerii oxizilor, ca in cazul sulfurii de cupru: 2CuS+3O2→2CuO+2SO2 poate conduce uneori direct la metal, de exemplu in cazul sulfurii de mercur: HgS+O2→Hg+SO2. Fierul este folosit la reducerea unor sulfuri, ca de exemplu sulfura de cupru, de arsen sau de mercur: CuS+Fe→FeS+Cu Pe aceasta reactie se bazeaza procedeul cementarii pentru obtinerea cuprului din solutii diluate in care se gaseste acest metal. Reducerea halogenurilor din metale. Pentru reducerea halogenurilor de metale se folosesc de cele mai multe ori calciul, sodiul sau potasiul. Halogenurile metalelor grele pot fi reduse prin incalzire in curent de hidrogen. Procedeul Kroll consta in trecerea clorurii metalului peste magneziu topit, intr-o atmosfera de gaz rar (heliu sau argon). Dupa acest procedeu se pot obtine Ti, Zr, Hf, Ta: TiCl4+2Mg→Ti+MgCl2. Electroliza solutiilor apoase si a topiturilor. Unele metale se obtin usor din combinatiile lor prin metode electrolitice de reducere. Electroliza se efectueaza in solutii sau in topituri. 1) Electroliza solutiilor apoase. Metalele care nu descompun apa se pot separa din solutii apoase pe cale electrolitica. Aceste metale sunt asezate dupa hidrogen in seria potentialelor de oxidare; Dintre metalele asezate inaintea hidrogenului, numai cele cu supratensiuni mari (Pb, Ni, Cd, Zn) se pot obtine prin electroliza in solutie. Mercurul, avand o supratensiune foarte mare, este folosit drept catod la electroliza solutiilor solutiilor unor saruri de metale care descompun apa, ca de exemplu metalele alcaline, cu care formeaza amalgame. Separarea pe cale de electroliza a metalelor din solutii apoase este folosita in tehnica mai ales pentru purificarea metalelor. 2) Electroliza electrolitilor topiti. Metalele puternic electropozitive se obtin de obicei in tehnica productiei prin electroliza electrolitilor topiti. In modul acesta se fabrica aluminiul, sodiul, potasiul, calciul si, in parte, magneziul. Topiturile oxizilor sau halogenurilor metalelor respective contin adaosuri care le scad punctul de topire si le maresc conductibilitatea fara sa fie descompuse electrolitic in conditiile respective ale electrolizei. Asemenea substante se numesc fondanti. Astfel, aluminiul se obtine industrial prin electroliza, cu electrozi de carbune, a oxidului de aluminiu, dizolvat in criolit, un fluaroaluminat de sodiu, Na3[AlF6], topit. Temperatura topiturii este de circa 1000°C. Sodiul se obtine industrial prin electroliza unui amestec de NaCl si CaCl2 (CaCl2 se topeste la 600°C pe cand NaCl se topeste la 801°C). Disocierea termica a unor combinatii. Disocierea termica a unor combinatii poate deveni o metoda de obtinere a unor elemente daca la racire aceste elemente nu se recombina. De multe ori, aceasta metoda conduce la obtinere de elemente cu puritate inalta. 1) Disocierea termica a oxizilor. Pentru ca disocierea termica a oxizilor sa devina o metoda de obtinere a metalelor, trebuie ca temperatura de disociere sa fie cat mai scazuta, respectiv caldura de formare a oxizilor sa fie cat mai mica. Un exemplu il reprezinta disocierea termica a oxidului de mercur (II): 2HgO↔2Hg+O2. 2) Disocierea termica a halogenurilor. Halogenurile metalelor nobile cand sunt incalzite disociaza usor in componente. Un exemplu il reprezinta tetraclorura de platina: PtCl4→Pt+2Cl2. Clorul fiind un gaz, se indeparteaza si ramane platina in stare pura. 3) Procedeul van Arkel si de Boer permite obtinerea unor metale in stare foarte pura si compacta. El se bazeaza pe faptul ca iodurile volatile ale catorva metale disociaza termic in vid la temperaturi inferioare punctului de topire a metalului. Astfel, daca in vaporii de iodura respectiva se introduce o sarma de wolfram incalzita la o temperatura de disociere a iodurii si punctul de topire a metalului, metalul se depune pe sarma incalzita formand monocristale, pe cand iodul difuzeaza in spatiul inconjurator. Filamentul extrem de subtire de wolfram din interiorul baghetei de metal formate nu reprezinta practic o impuritate. Metoda se aplica la obtinerea metalelor Ti, Zr, Hf, Th. Clasificarea procedeelor de obtinere a metalelor Dupa conditiile in care au loc, procedeele metalurgice pentru obtinerea metalelor se impart in trei grupe principale: pirometalurgie, hidrometalurgie si electrometalurgie. Procedeele pirometalurgice se caracterizeaza prin faptul ca folosesc temperaturi inalte. Astfel, prajirea si calcinarea sunt procedee pirometalurgice. Procedeele hidrometalurgice cuprind toate procedeele in care metalele se obtin prin prelucrarea minereurilor cu solutii apoase de reactivi chimici. De exemplu, cuprul se poate extrage si din minereuri mai sarace de 2% Cu, prin metode hidrometalurgice, cum este tratarea cu acid sulfuric; metalul trece in solutie, de unde este apoi separat. Procedeele electrochimice folosesc curentul electric. Ele se impart la randul lor in doua categorii: procedee electrotermice, cand curentul electric folosit serveste drept sursa de caldura, si procedee electrochimice, cand curentul electric are actiune electrolitica asupra solutiei sau topiturii.
