El primer material que la gente aprendió a utilizar para sus necesidades fue la piedra. Sin embargo, más tarde, cuando el hombre tomó conciencia de las propiedades de los metales, la piedra retrocedió mucho. Son estas sustancias y sus aleaciones las que se han convertido en el material más importante y principal en manos de las personas. Con ellos se fabricaron artículos para el hogar y herramientas y se construyeron locales. Por lo tanto, en este artículo veremos qué son los metales, cuyas características generales, propiedades y aplicaciones son tan relevantes hasta el día de hoy. Después de todo, literalmente inmediatamente después de la Edad de Piedra, siguió toda una galaxia de metales: cobre, bronce y hierro.
Metales: características generales.
¿Qué une a todos los representantes de estas sustancias simples? Por supuesto, esta es la estructura de su red cristalina, los tipos de enlaces químicos y las características de la estructura electrónica del átomo. Al fin y al cabo, de ahí las propiedades físicas características que subyacen al uso de estos materiales por parte del hombre.
En primer lugar, consideremos los metales como elementos químicos de la tabla periódica. En él se ubican con bastante libertad, ocupando 95 celdas de las 115 que se conocen hoy en día. Su ubicación en el sistema general tiene varias características:
- Forman los principales subgrupos de los grupos I y II, así como del III, empezando por el aluminio.
- Todos los subgrupos laterales están formados únicamente por metales.
- Están ubicados debajo de la diagonal convencional del boro al ástato.
Con base en estos datos, es fácil ver que los no metales se recolectan en la parte superior derecha del sistema, y el resto del espacio pertenece a los elementos que estamos considerando.
Todos ellos tienen varias características de la estructura electrónica del átomo:
Las características generales de los metales y no metales permiten identificar patrones en su estructura. Por tanto, la red cristalina del primero es metálica y especial. Sus nodos contienen varios tipos de partículas:
- iones;
- átomos;
- electrones.
En su interior se acumula una nube común llamada gas de electrones, lo que explica todas las propiedades físicas de estas sustancias. El tipo de enlace químico en los metales es el mismo que ellos.
Propiedades físicas
Hay una serie de parámetros que unen a todos los metales. Sus características generales en términos de propiedades físicas se ven así.
Los parámetros enumerados son las características generales de los metales, es decir, todo lo que los une en una gran familia. Sin embargo, debe entenderse que existen excepciones a toda regla. Además, hay demasiados elementos de este tipo. Por tanto, dentro de la propia familia también existen divisiones en varios grupos, que consideraremos a continuación y cuyos rasgos característicos indicaremos.
Propiedades químicas
Desde el punto de vista de la ciencia química, todos los metales son agentes reductores. Además, muy fuerte. Cuantos menos electrones haya en el nivel exterior y mayor sea el radio atómico, más fuerte será el metal según este parámetro.
Como resultado, los metales pueden reaccionar con:
Esta es sólo una descripción general de las propiedades químicas. Después de todo, cada grupo de elementos son puramente individuales.
metales alcalinotérreos
Las características generales de los metales alcalinotérreos son las siguientes:
Por lo tanto, los metales alcalinotérreos son elementos comunes de la familia s que exhiben una alta actividad química y son fuertes agentes reductores y participantes importantes en los procesos biológicos del cuerpo.
Metales alcalinos
Las características generales comienzan con su nombre. Lo recibieron por su capacidad para disolverse en agua, formando álcalis: hidróxidos cáusticos. Las reacciones con el agua son muy violentas, a veces con inflamación. Estas sustancias no se encuentran en forma libre en la naturaleza, ya que su actividad química es demasiado alta. Reaccionan con el aire, el vapor de agua, los no metales, los ácidos, los óxidos y las sales, es decir, con casi todo.
Esto se explica por su estructura electrónica. En el nivel exterior sólo hay un electrón, al que renuncian fácilmente. Estos son los agentes reductores más fuertes, por lo que fue necesario bastante tiempo para obtenerlos en su forma pura. Esto lo hizo por primera vez Humphry Davy ya en el siglo XVIII mediante la electrólisis del hidróxido de sodio. Ahora todos los representantes de este grupo se extraen utilizando este método.
Una característica general de los metales alcalinos es que constituyen el primer grupo, el subgrupo principal de la tabla periódica. Todos ellos son elementos importantes que forman muchos compuestos naturales valiosos utilizados por los humanos.
Características generales de los metales de las familias d y f.
Este grupo de elementos incluye todos aquellos cuyos estados de oxidación pueden variar. Esto significa que, dependiendo de las condiciones, el metal puede actuar tanto como agente oxidante como reductor. Estos elementos tienen una gran capacidad de reacción. Entre ellos se encuentran una gran cantidad de sustancias anfóteras.
El nombre común de todos estos átomos es elementos de transición. Lo recibieron porque, en cuanto a sus propiedades, realmente se encuentran en el medio, entre los metales típicos de la familia s y los no metales de la familia p.
Las características generales de los metales de transición implican la designación de sus propiedades similares. Son los siguientes:
- una gran cantidad de electrones en el nivel exterior;
- gran radio atómico;
- varios estados de oxidación (de +3 a +7);
- están en el subnivel d o f;
- forman 4-6 grandes períodos del sistema.
Como sustancias simples, los metales de este grupo son muy fuertes, maleables y maleables, por lo que tienen una gran importancia industrial.
Subgrupos laterales de la tabla periódica.
Las características generales de los metales de los subgrupos laterales coinciden completamente con las de los metales de transición. Y esto no es de extrañar, porque, en esencia, son exactamente lo mismo. Simplemente los subgrupos laterales del sistema están formados precisamente por representantes de las familias d y f, es decir, metales de transición. Por tanto, podemos decir que estos conceptos son sinónimos.
Los más activos e importantes son la primera fila de 10 representantes, desde el escandio hasta el zinc. Todos ellos tienen un importante significado industrial y suelen ser utilizados por el hombre, especialmente para la fundición.
Aleaciones
Las características generales de los metales y aleaciones permiten comprender dónde y cómo se pueden utilizar estas sustancias. Estos compuestos han sufrido grandes transformaciones en las últimas décadas, a medida que se descubren y sintetizan nuevos aditivos para mejorar su calidad.
Las aleaciones más famosas en la actualidad son:
- latón;
- duraluminio;
- hierro fundido;
- acero;
- bronce;
- ganará;
- nicromo y otros.
¿Qué es una aleación? Se trata de una mezcla de metales que se obtiene fundiendo estos últimos en hornos especiales. Esto se hace con el fin de obtener un producto con propiedades superiores a las sustancias puras que lo forman.
Comparación de propiedades de metales y no metales.
Si hablamos de propiedades generales, entonces las características de los metales y los no metales diferirán en un punto muy significativo: para estos últimos es imposible distinguir características similares, ya que difieren mucho en las propiedades que exhiben, tanto físicas como químicas.
Por tanto, es imposible crear una característica similar para los no metales. Solo puedes considerar a los representantes de cada grupo por separado y describir sus propiedades.
Los metales son el tipo de material más común que la gente utiliza para satisfacer sus necesidades de vida. Ahora la humanidad vive en la era de los metales y el desarrollo de todas las industrias, la ciencia, la cultura y la vida humana es impensable sin máquinas, mecanismos, instrumentos y otros productos metálicos.
La transición del hombre desde el uso de la piedra (Edad de Piedra) al metal fue larga y compleja. No se produjo como resultado de un salto revolucionario en el desarrollo de la sociedad, sino que los metales entraron gradualmente en el uso humano durante un largo período. El primer metal que entró en el uso cotidiano de la humanidad fue el cobre, que abrió la era de la metalurgia y dio al mundo su primera aleación: el bronce. Según datos arqueológicos, la primera información sobre la fundición de cobre se remonta a 6500-5700. ANTES DE CRISTO. Fue la base de la cultura material durante miles de años, y la Edad del Cobre pasó gradualmente a la Edad del Bronce.
La siguiente etapa en la metalurgia fue el uso del hierro (Edad del Hierro) y su inicio se remonta al segundo milenio antes de Cristo. La producción de hierro puro y sus aleaciones fue posible gracias a la experiencia acumulada en la fundición de cobre, bronce, oro y otros metales y aleaciones de bajo punto de fusión. El desarrollo de la producción de hierro sirvió como un poderoso impulso para el desarrollo de las fuerzas productivas y el progreso técnico. En la antigüedad, el hombre conocía ocho metales: cobre, oro, plata, estaño, plomo, hierro, mercurio y antimonio. A finales del siglo XVIII. su número ha aumentado a 20 y actualmente se producen y utilizan alrededor de 80 metales.
La abundancia de elementos en la corteza terrestre varía, desde un pequeño porcentaje hasta partes por millón. El contenido total de los diez elementos más comunes (oxígeno - 47,00; silicio - 29,50; aluminio - 8,05; hierro - 4,65, calcio - 2,96; sodio - 2,50; potasio - 2,50; magnesio - 1,87; titanio - 0,45; hidrógeno - 0,15) constituye el 99,63% de la masa de la corteza terrestre, y todos los demás elementos representan sólo el 0,37% de la masa total de la tierra. Una idea de la abundancia de algunos metales conocidos en la corteza terrestre viene dada por sus valores de Clarke, es decir Contenido promedio aritmético en la corteza terrestre, que se indican a continuación (%):
Los que se encuentran con menor frecuencia en la naturaleza son el polonio y la anémona de mar, cuyo contenido en clarke se acerca al 10-15%.
La importancia técnica de un metal está determinada por su prevalencia en la naturaleza, las necesidades de la economía nacional y las capacidades de producción. Los dos últimos factores determinan la escala de producción de cada tipo de metal. En la producción de metales, alrededor del 95% de la producción (alrededor de 800 millones de toneladas) son hierro fundido y acero, que son aleaciones de hierro con carbono y otros componentes de aleación. La producción anual de metales básicos no ferrosos se sitúa en el nivel (millones de toneladas). .): aluminio 23–24; cobre 10–11; níquel 0,5–0,7; ventaja 4-5; zinc 5–6; magnesio 0,2–0,3; estaño 0,20–0,25; molibdeno 0,14–0,15; el titanio es aproximadamente 0,1.
La metalurgia, la rama más grande de la industria pesada, produce metales a partir de minerales y otros tipos de materias primas que contienen metales. La metalurgia es el eslabón central de la producción minera y metalúrgica, incluida la geología, la minería, el beneficio, la propia metalurgia, la fundición y el procesamiento de metales mediante diversos métodos (presión, temperatura, métodos mecánicos, etc.). La metalurgia se basa en los principios de la tecnología química, ya que durante los procesos metalúrgicos los materiales procesados sufren diversas transformaciones físicas y químicas. Por tanto, la metalurgia está estrechamente relacionada con la física, la química y especialmente la química física, que es la base científica de la metalurgia teórica y práctica. En los últimos años ha ido aumentando la conexión entre la metalurgia, las matemáticas y la tecnología informática.
La industria metalúrgica rusa produce actualmente 78 elementos de la tabla periódica D.I. Mendeleev, así como diversos tipos de fertilizantes, materiales de construcción, ácido sulfúrico y azufre, cemento y muchos otros tipos de productos. La metalurgia en Rusia es una rama muy desarrollada de la producción de materiales. De particular importancia para el desarrollo de la minería en Rusia fueron los trabajos de M.B. Lomonósov, D.I. Mendeleev, así como los principales especialistas en la producción de metales ferrosos P.P. Anosova, D.K. Chernova, N.N. Beketova, I.P. Bardin y muchos otros. A.A. hizo una contribución invaluable al desarrollo de la metalurgia nacional no ferrosa. Baykov, NS. Kurnakov, P.P. Fedotiev, V.A. Vanyukov, A.I. Belyaev, I. F. Khudyakov, AN Volsky y otros.
Metales, sus propiedades y clasificación.
La mayoría de los metales tienen una serie de propiedades que son de naturaleza general y difieren de las propiedades de otros compuestos simples o complejos. Tales propiedades son las temperaturas de fusión relativamente altas de la mayoría de los metales, la capacidad de reflejar la luz, la alta conductividad térmica y eléctrica y la capacidad de ser laminados. Estas características se explican por la existencia de un tipo especial de enlace en los metales: el metálico.
Según su posición en la tabla periódica, los átomos de los metales tienen una pequeña cantidad de electrones de valencia y muchos orbitales vacíos. Además, los electrones de valencia están débilmente unidos a sus núcleos y, por tanto, tienen una gran libertad de movimiento en la red cristalina del metal. La imagen general del estado metálico se puede presentar de la siguiente manera. Los nodos de la red cristalina metálica están ocupados tanto por átomos como por iones individuales, entre los cuales los electrones, a veces llamados gas de electrones, se mueven con relativa libertad (Fig. 1).
Arroz. 1. Esquema de disposición de átomos, iones y electrones en redes cristalinas de metales: 1 – átomos; 2 – iones; 3 – electrones Dado que los electrones de valencia se distribuyen casi uniformemente en un cristal metálico, es imposible hablar de direccionalidad de los enlaces metálicos. Ésta es su importante diferencia con los enlaces covalentes, que tienen una orientación estricta en el espacio. Un enlace metálico también se diferencia de un enlace covalente en su fuerza: su energía es de 3 a 4 veces menor que la energía de un enlace covalente. La existencia de electrones móviles en un cristal metálico explica sus rasgos característicos (conductividad eléctrica, conductividad térmica).
Un enlace metálico se puede definir como un tipo de enlace químico covalente no direccional, cuando los átomos tienen pocos electrones de valencia, muchas órbitas libres y los electrones de valencia están débilmente retenidos por el núcleo.
Por tanto, los metales son elementos químicos cuyas redes cristalinas están formadas por átomos e iones, y los electrones se mueven libremente en el espacio entre los núcleos. El enlace entre átomos es covalente y entre iones y electrones es metálico.
Los átomos pierden constantemente electrones, convirtiéndose en iones, y estos últimos los aceptan, convirtiéndose en átomos. El número de electrones que se mueven aleatoriamente en la red cristalina, como las moléculas de gas, varía para los distintos metales y determina la proporción del enlace metálico y la medida de la metalicidad del elemento.
La idea de una red cristalina, "sumergida en una nube de electrones que deambulan libremente", expresada por primera vez en 1902, ahora se ha complementado y ha adquirido una interpretación ligeramente modificada; sin embargo, incluso en su forma original simplificada explica bien la alta conductividad eléctrica, conductividad térmica y emisión termoiónica de los metales.
Los átomos e iones en los sitios de la red cristalina están sujetos a fuerzas de atracción y repulsión mutuas. Las amplitudes de vibraciones de iones y átomos dependen de la temperatura y aumentan con ella. A la temperatura de fusión, las amplitudes de vibración son tan grandes que la red se destruye: los átomos y los iones pierden sus posiciones permanentes y entran en el movimiento aleatorio característico del estado líquido. El enlace entre iones y electrones se llama metálico y entre átomos, covalente. El número de electrones errantes depende de la proporción de estos tipos de enlaces químicos. Cuanto mayor sea esta cantidad, más pronunciadas serán las propiedades metálicas de los elementos.
La fuerza del enlace metálico explica muchas de las propiedades físicas y mecánicas de los metales.
Las influencias mecánicas externas sobre el metal provocan un cambio en las capas de la red cristalina, pero la conexión entre iones y electrones no se altera debido a la libre movilidad de los electrones. Por esta razón los metales son fuertes y dúctiles; cambian de forma pero no pierden fuerza. El cobre y el oro tienen muchos electrones libres, el enlace metálico predomina significativamente sobre el enlace covalente: estos metales son dúctiles, maleables y tenaces. El antimonio y el bismuto tienen relativamente pocos electrones libres, por lo que son frágiles.
Se dan algunas propiedades físicas y mecánicas de los metales no ferrosos más comunes (Tabla 1).
tabla 1 La conductividad eléctrica causada por el movimiento de electrones "socializados" en el espacio de la red cristalina depende obviamente de la libertad de su movimiento: la disposición correcta de los átomos, la amplitud y frecuencia de sus vibraciones térmicas. De hecho, al aumentar la temperatura, aumenta el rango de vibraciones de los sitios de la red, aumenta la dispersión de electrones y disminuye la conductividad eléctrica; con el enfriamiento vuelve a aumentar. A temperaturas cercanas al cero absoluto, la resistencia eléctrica de algunos metales y aleaciones se vuelve extremadamente pequeña. La necesidad de temperaturas muy bajas todavía dificulta el uso práctico de este valioso e interesante fenómeno. La superconductividad a -253 °C, descubierta a mediados del siglo XX en una aleación de niobio, aluminio y germanio, es un fenómeno poco común. Otro superconductor de “alta temperatura” es una aleación de niobio y galio.
La presencia de incluso pequeñas impurezas de otros elementos reduce la conductividad eléctrica: al alterar el orden en la red, dispersan los electrones. Los electrones también son dispersados por átomos desplazados como resultado de una acción mecánica externa: deformación por forjado, laminación u otro procesamiento similar.
La conductividad térmica casi siempre cambia con la temperatura, de manera similar a la conductividad eléctrica: los metales más conductores de electricidad conducen bien el calor, mientras que aquellos con una resistencia eléctrica relativamente alta conducen peor el calor. La conductividad térmica está asociada tanto con las vibraciones de los átomos en la red como con el movimiento de electrones libres. Esto último parece ser de importancia predominante.
Las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, compresión, flexión, dureza y plasticidad) se explican no sólo por la unión metálica, sino también por las peculiaridades de la estructura cristalina de los metales, que en su mayoría tienen redes espaciales muy compactas con un alto número de coordenadas. Se muestran los más típicos (Fig. 2), que deben entenderse únicamente como un diagrama de la ubicación de los centros atómicos. En realidad, los átomos, convencionalmente representados como esferas, están muy compactos y ocupan sólo el 70% del volumen (ver Fig. 2d, 1).
Arroz. 2. Redes cristalinas metálicas típicas y defectos estructurales: a – red cúbica de cobre centrada en las caras (similar a Au, Ag, Al, Pt, etc.); b – red cúbica de tungsteno centrada en el cuerpo (similar a Fe, K. Ba, etc.); c – red hexagonal densa de magnesio (similar a Zn, Be, etc.); d – defectos estructurales: 1 – vacantes; 2 – entrenudos, incluidas las impurezas
Muchos metales son mutuamente solubles en estado líquido o sólido, o forman compuestos químicos intermetálicos entre sí, como resultado de lo cual surgen otros sistemas cristalinos y sus propiedades varían ampliamente. Se trata de aleaciones que abren posibilidades para la producción de nuevos materiales valiosos con propiedades especiales. Ya se utilizan miles de aleaciones dobles, triples y más complejas, que se obtienen no solo mezclando metales líquidos, sino también sinterizando polvos o disolviendo un elemento en la capa superficial de un metal sólido (aleación).
La capacidad de sufrir deformaciones elásticas y plásticas, la alta conductividad eléctrica y térmica y algunas otras características constituyen un conjunto de propiedades que no son inherentes a otros sólidos: madera, piedra, plástico. Esto explica el innegable reconocimiento de los metales y las aleaciones como los materiales más importantes de la tecnología moderna.
M.V. Lomonósov definió los metales como “...cuerpos ligeros que pueden forjarse”. Hoy en día, además de complementar esto con signos de alta conductividad eléctrica y térmica, cabe señalar que muchas propiedades dependen de la limpieza y el procesamiento mecánico. Un mismo metal puede ser a la vez maleable y quebradizo. En los cristales reales siempre hay varios defectos, por lo que las propiedades mecánicas y físicas no pueden atribuirse únicamente a las características del enlace metálico y la red cristalina.
Los defectos puntuales (sitios de red vacíos, vacantes (ver Fig. 2), así como sitios ocupados por átomos de impurezas) aparecen durante la cristalización de una masa fundida. Defectos lineales y planos: las dislocaciones también se obtienen durante la cristalización o como resultado del procesamiento mecánico en forma de capas incompletas de átomos o su desplazamiento mutuo y, a veces, entrelazamiento.
El número total de defectos por 1 cm 2 de superficie de metal o aleación suele superar los 10 6. Los defectos puntuales reducen principalmente la conductividad eléctrica y térmica, mientras que otros también reducen las propiedades mecánicas.
Los metales y aleaciones convencionales son policristalinos y consisten en agregados de granos orientados aleatoriamente. En cada grano, los cristales elementales tienen la misma orientación, y en los granos vecinos tienen una orientación diferente, a veces ubicadas en ángulos grandes (Fig. 3). Las impurezas se acumulan en los límites de los granos y se forman huecos de gas. Además de una disminución de las propiedades físicas, también hay una menor resistencia a la corrosión.
Arroz. 3. Límites de grano de metal ubicados en ángulos grandes. La posibilidad de desplazamiento de las capas cristalinas en la dirección de las dislocaciones o de su ruptura en los límites de los granos reduce la resistencia. La resistencia aumenta hasta cierto punto después del recocido: calentamiento y enfriamiento lento, cuando, como resultado de la difusión, las dislocaciones se eliminan parcialmente y los granos se vuelven más pequeños.
El procesamiento mecánico a veces provoca un endurecimiento asociado con dislocaciones entrelazadas. Otro motivo de endurecimiento significativo, acompañado de una disminución de la ductilidad y la aparición de fragilidad, está asociado con la aparición o introducción de fases extrañas insolubles, por ejemplo, carburo de hierro F 3 C en acero u óxidos y nitruros en titanio, tungsteno y molibdeno. Los granos de estos compuestos impiden el desplazamiento mutuo de las capas metálicas. La eliminación de impurezas de los metales suele mejorar significativamente la maleabilidad y facilitar el procesamiento.
Los metales líquidos se diferencian de los sólidos por la conexión relativamente pequeña entre átomos e iones, pero aquí se conserva la libertad de movimiento de los electrones, por lo que también son conductores de electricidad y calor.
El mismo metal a diferentes temperaturas puede tener diferentes redes cristalinas. La transición de un sistema a otro cambia la distancia entre los nodos y su ubicación; esta transición afecta significativamente las propiedades de las modificaciones polimórficas. Por ejemplo, el estaño, conocido a temperaturas normales como un metal dúctil y brillante del sistema tetragonal con una densidad de 7,29 g/cm 3 (modificación β), a temperaturas inferiores a 13,2 ° C, y especialmente con un rápido sobreenfriamiento, se convierte en un polvo gris que cristaliza en un sistema cúbico con una densidad de 5,85 g/cm 3 (modificación α). Transformaciones similares son características de muchos otros elementos.
La actividad química de los metales se puede caracterizar por su posición en la serie de voltaje electroquímico, donde los metales se colocan en orden creciente de potenciales electroquímicos o de electrodos normales. Cuanto mayor sea el valor algebraico del potencial normal del electrodo, menor será la capacidad reductora y la actividad química del metal. En una serie de tensiones, cada metal es capaz de desplazar a los metales que se encuentran a su derecha de soluciones acuosas y sales fundidas.
Los metales con potenciales electroquímicos negativos son fácilmente susceptibles a la oxidación, por lo que se encuentran en la naturaleza solo en forma de compuestos químicos: óxidos, haluros, así como sulfuros, silicatos y otras sales. A medida que aumenta el potencial y, por tanto, disminuye la actividad química, el estado libre de los metales se vuelve cada vez más estable. Por ejemplo, el cobre, la plata y el mercurio se encuentran en la naturaleza no solo en forma de sales, sino también en estado libre, y el oro y el platino se encuentran predominantemente en estado libre. Se muestra la relación entre los potenciales de los electrodos y algunas propiedades de los metales (Tabla 2).
Al caracterizar los metales como elementos químicos, cabe señalar que la tabla periódica de D. I. Mendeleev no permite distinguirlos claramente de los metaloides y los no metales. Esto es natural: cada elemento es una unidad dieléctrica de propiedades metálicas y metaloides, cuya naturaleza contradictoria no se elimina con un aumento en la carga del núcleo y el número de capas de electrones.
Es fácil reconocer el hidrógeno, los gases nobles, los halógenos, los elementos del grupo VI (oxígeno, azufre, selenio, telurio y polonio, así como el boro, el carbono, el nitrógeno, el silicio y el fósforo) como no metales evidentes. Todos ellos no producen óxidos e hidróxidos básicos característicos de los metales. Al mismo tiempo, entre otros elementos, algunos tienen hidróxidos anfóteros. En particular, en metales aparentemente obvios como el zinc y el aluminio, los óxidos exhiben propiedades tanto ácidas como básicas.
En general, las redes cristalinas de los metales se analizaron anteriormente y, para la mayoría de los elementos químicos, se muestran convencionalmente en la tabla. 4. Sin embargo, la diferencia en las estructuras cristalinas tampoco justifica la división de elementos que nos interesa. Generalmente considerados metales, el mercurio y el bismuto cristalizan en un sistema ortorrómbico, lo cual es inusual para la mayoría de los demás metales, y el indio y el estaño cristalizan en un sistema tetragonal.
El límite convencional más claro entre metales y metaloides se puede trazar comparando la conductividad eléctrica o su valor inverso: la resistividad eléctrica. Para un metal obvio, el níquel, la resistividad eléctrica es 6,8∙10 –6 (Ohm∙cm), y para el metaloide de carbono solo en la modificación de grafito es 1375∙10 –6 (Ohm∙cm ).
Según este criterio, 80 elementos deberían clasificarse como metales y 23 como no metales y metaloides.
Además, limitando el campo de la metalurgia a los elementos que forman la corteza terrestre, de los ochenta debemos excluir el francio, el tecnecio, el prometio y los actínidos, comenzando por el americio, y determinar el número final de metales igual a 68 (Tabla 3).
Tabla 3 En relación con el deseo de complejidad en el uso de las materias primas, así como con la producción generalizada de aleaciones, que a menudo incluyen metaloides, se han desarrollado tradiciones según las cuales el silicio, el germanio y, a veces, también el selenio y el telurio, se extraen incidentalmente de materias primas metalúrgicas. , a veces se clasifican incorrectamente como metales. Junto a esto, la industria química obtiene un metal típico, el sodio; Esto muestra la estrecha conexión entre la química y la metalurgia. Anteriormente, la metalurgia se distinguía de la tecnología química por el uso predominante de la fundición a altas temperaturas, ahora esta característica se está perdiendo cada vez más: junto con la pirometalurgia al fuego, está aumentando la importancia de la hidrometalurgia, que extrae metales de los minerales mediante lixiviación con soluciones acuosas de reactivos. , seguido de reducción por electrólisis o cementación.
Como etapas intermedias para la separación y concentración de sustancias disueltas, se utilizan sorción, extracción, precipitación, coprecipitación y otros métodos de procesamiento químico.
La clasificación industrial de los metales, tradicionalmente establecida en nuestro país durante el período de industrialización más intensiva, no tiene una base científica clara, pero es muy utilizada en la literatura técnica y en la vida cotidiana. Su primera base, aceptada en algunos otros países, es la marcada diferencia en la escala de producción de hierro y otros metales. En la masa total de productos metalúrgicos, las aleaciones de hierro ocupan alrededor del 93%. Por tanto, se hace una distinción entre "metales de hierro" (hierro y sus aleaciones - hierro fundido y acero) y otros "sin hierro".
En nuestro país esto corresponde a los nombres convencionalmente aceptados de metales ferrosos y no ferrosos. Los metales no ferrosos, a su vez, se dividen según algunas características generales en una serie de grupos y subgrupos que se indican en las Tablas 3 y 4.
En la clasificación anterior ni siquiera existe un principio de denominación de grupos. Así, a finales del siglo pasado, el aluminio se consideraba un metal raro, pero ahora ocupa el primer lugar entre los metales no ferrosos en términos de producción y consumo. El problema del titanio no se ha resuelto del todo, ya que algunos metalúrgicos lo clasifican como un metal raro refractario, mientras que otros lo clasifican como un metal ligero. Por lo tanto, diferentes metalúrgicos, con diferentes puntos de vista, clasifican los metales individuales en diferentes grupos.
Los metales que reaccionan fácilmente se llaman metales activos. Estos incluyen metales alcalinos, alcalinotérreos y aluminio.
Posición en la tabla periódica
Las propiedades metálicas de los elementos disminuyen de izquierda a derecha en la tabla periódica. Por tanto, los elementos de los grupos I y II se consideran los más activos.
Arroz. 1. Metales activos en la tabla periódica.
Todos los metales son agentes reductores y se separan fácilmente de los electrones en el nivel de energía exterior. Los metales activos tienen sólo uno o dos electrones de valencia. En este caso, las propiedades metálicas aumentan de arriba a abajo al aumentar el número de niveles de energía, porque Cuanto más lejos esté un electrón del núcleo de un átomo, más fácil le resultará separarse.
Los metales alcalinos se consideran los más activos:
- litio;
- sodio;
- potasio;
- rubidio;
- cesio;
- Francés
Los metales alcalinotérreos incluyen:
- berilio;
- magnesio;
- calcio;
- estroncio;
- bario;
- radio.
El grado de actividad de un metal puede determinarse mediante la serie electroquímica de voltajes del metal. Cuanto más a la izquierda del hidrógeno se encuentre un elemento, más activo será. Los metales a la derecha del hidrógeno son inactivos y sólo pueden reaccionar con ácidos concentrados.
Arroz. 2. Serie electroquímica de voltajes de metales.
La lista de metales activos en química también incluye el aluminio, situado en el grupo III y a la izquierda del hidrógeno. Sin embargo, el aluminio se encuentra en el límite de los metales activos e intermedios y no reacciona con algunas sustancias en condiciones normales.
Propiedades
Los metales activos son blandos (se pueden cortar con un cuchillo), ligeros y tienen un punto de fusión bajo.
Las principales propiedades químicas de los metales se presentan en la tabla.
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Reacción |
La ecuacion |
Excepción |
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Los metales alcalinos se encienden espontáneamente en el aire al interactuar con el oxígeno. |
K + O 2 → KO 2 |
El litio reacciona con el oxígeno solo a altas temperaturas. |
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Los metales alcalinotérreos y el aluminio forman películas de óxido en el aire y se encienden espontáneamente cuando se calientan. |
2Ca + O 2 → 2CaO |
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Reaccionan con sustancias simples para formar sales. |
Ca + Br2 → CaBr2; |
El aluminio no reacciona con el hidrógeno. |
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Reacciona violentamente con el agua, formando álcalis e hidrógeno. |
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La reacción con el litio es lenta. El aluminio reacciona con el agua sólo después de eliminar la película de óxido. |
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Reaccionan con ácidos para formar sales. |
Ca + 2HCl → CaCl 2 + H 2; 2K + 2HMnO 4 → 2KMnO 4 + H 2 |
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Interactuar con soluciones salinas, primero reaccionando con agua y luego con sal. |
2Na + CuCl 2 + 2H 2 O: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; |
Los metales activos reaccionan fácilmente, por lo que en la naturaleza se encuentran solo en mezclas: minerales, rocas.
Arroz. 3. Minerales y metales puros.
¿Qué hemos aprendido?
Los metales activos incluyen elementos de los grupos I y II: metales alcalinos y alcalinotérreos, así como aluminio. Su actividad está determinada por la estructura del átomo: algunos electrones se separan fácilmente del nivel de energía externo. Se trata de metales ligeros y blandos que reaccionan rápidamente con sustancias simples y complejas, formando óxidos, hidróxidos y sales. El aluminio está más cerca del hidrógeno y su reacción con sustancias requiere condiciones adicionales: altas temperaturas, destrucción de la película de óxido.
Varias disciplinas científicas (materiales y metalurgia, física, química) estudian las propiedades y características de los metales. Existe una clasificación generalmente aceptada de ellos. Sin embargo, cada una de las disciplinas, al momento de estudiarlas, se basa en parámetros especializados específicos que se encuentran en su área de interés. Por otro lado, todas las ciencias que estudian metales y aleaciones comparten el mismo punto de vista de que existen dos grupos principales: ferrosos y no ferrosos.
Signos de metales
Se distinguen las siguientes propiedades mecánicas básicas:
- Dureza: determina la capacidad de un material para resistir la penetración de otro más duro.
- La fatiga es la cantidad, así como el tiempo de impactos cíclicos, que un material puede soportar sin alterar su integridad.
- Fortaleza. Es el siguiente: si se aplica una carga dinámica, estática o alterna, esto no provocará un cambio de forma, estructura y dimensiones, ni dañará la integridad interna y externa del metal.
- La plasticidad es la capacidad de mantener la integridad y la forma resultante durante la deformación.
- La elasticidad es la deformación sin romper su integridad bajo la influencia de ciertas fuerzas, así como, después de deshacerse de la carga, la capacidad de volver a su forma original.
- Resistencia a las grietas: bajo la influencia de fuerzas externas, no se forman en el material y también se mantiene la integridad externa.
- Resistencia al desgaste: la capacidad de mantener la integridad externa e interna durante una fricción prolongada.
- Viscosidad: mantener la integridad bajo un estrés físico creciente.
- Resistencia al calor: resistencia al cambio de tamaño, forma y destrucción cuando se expone a altas temperaturas.
Clasificación de metales
Los metales incluyen materiales que tienen una combinación de propiedades mecánicas, tecnológicas, operativas, físicas y químicas:
- mecánico confirma la capacidad de resistir la deformación y la destrucción;
- tecnológico indican la capacidad de realizar diferentes tipos de procesamiento;
- los operativos reflejan la naturaleza de los cambios durante la operación;
- los químicos muestran interacción con diversas sustancias;
- los físicos indican cómo se comporta el material en diferentes campos: térmico, electromagnético, gravitacional.
Según el sistema de clasificación de metales, todos los materiales existentes se dividen en dos grupos volumétricos: ferrosos y no ferrosos. Las propiedades tecnológicas y mecánicas también están estrechamente relacionadas. Por ejemplo, la resistencia de un metal puede ser el resultado de un procesamiento adecuado. Para estos fines se utilizan los llamados endurecimiento y "envejecimiento".
Las propiedades químicas, físicas y mecánicas están estrechamente interrelacionadas, ya que la composición del material determina todos sus demás parámetros. Por ejemplo, los metales refractarios son los más fuertes. Las propiedades que aparecen en reposo se denominan físicas y, bajo influencia externa, mecánicas. También hay tablas para clasificar metales por densidad: componente principal, tecnología de fabricación, punto de fusión y otros.
metales negros
Los materiales que pertenecen a este grupo tienen las mismas propiedades: densidad impresionante, alto punto de fusión y color gris oscuro. El primer gran grupo de metales ferrosos incluye lo siguiente:
Metales no ferrosos
El segundo grupo más grande tiene baja densidad, buena ductilidad, bajo punto de fusión, colores predominantes (blanco, amarillo, rojo) y está formado por los siguientes metales:
- Pulmones: magnesio, estroncio, cesio, calcio. En la naturaleza se encuentran sólo en compuestos fuertes. Se utilizan para producir aleaciones ligeras para diversos fines.
- Los nobles. Ejemplos de metales: platino, oro, plata. Tienen mayor resistencia a la corrosión.
- Materiales de bajo punto de fusión: cadmio, mercurio, estaño, zinc. Tienen un punto de fusión bajo y se utilizan en la producción de diversas aleaciones.
La baja resistencia de los metales no ferrosos no permite su uso en forma pura, por lo que en la industria se utilizan en forma de aleaciones.
Cobre y aleaciones de cobre.
En su forma pura tiene un color rojo rosado, baja resistividad, baja densidad, buena conductividad térmica, excelente ductilidad y es resistente a la corrosión. Es ampliamente utilizado como conductor de corriente eléctrica. Para necesidades técnicas se utilizan dos tipos de aleaciones de cobre: latón (cobre con zinc) y bronce (cobre con aluminio, estaño, níquel y otros metales). El latón se utiliza para la fabricación de láminas, tiras, tuberías, alambres, accesorios, casquillos y cojinetes. De bronce se fabrican muelles planos y redondos, membranas, diversos accesorios y pares de tornillos sin fin.
Aluminio y aleaciones
Este metal muy ligero tiene un color blanco plateado y es muy resistente a la corrosión. Tiene buena conductividad eléctrica y ductilidad. Por sus características ha encontrado aplicación en la industria alimentaria, ligera y eléctrica, así como en la construcción de aeronaves. Las aleaciones de aluminio se utilizan con mucha frecuencia en la ingeniería mecánica para la fabricación de piezas críticas.
Magnesio, titanio y sus aleaciones.
El magnesio no es resistente a la corrosión, pero no se utiliza ningún metal más ligero para necesidades técnicas. Básicamente, se añade a aleaciones con otros materiales: zinc, manganeso, aluminio, que se cortan perfectamente y son bastante resistentes. Las aleaciones con magnesio, un metal ligero, se utilizan para fabricar carcasas para cámaras, diversos dispositivos y motores. El titanio ha encontrado su aplicación en la industria de cohetes, así como en la ingeniería mecánica para la industria química. Las aleaciones que contienen titanio tienen baja densidad, excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Se prestan bien al tratamiento por presión.
Aleaciones antifricción
Estas aleaciones están especificadas para aumentar la vida útil de las superficies sujetas a fricción. Combinan las siguientes características del metal: buena conductividad térmica, bajo punto de fusión, microporosidad y bajo coeficiente de fricción. Las aleaciones antifricción incluyen aquellas basadas en plomo, aluminio, cobre o estaño. Los más utilizados incluyen:
- revestir de metal antifricción. Está hecho de plomo y estaño. Se utiliza en la producción de revestimientos para rodamientos que funcionan a altas velocidades y bajo cargas de choque;
- aleaciones de aluminio;
- bronce;
- materiales metalocerámicos;
- hierro fundido.
metales blandos
Según el sistema de clasificación de metales, estos son oro, cobre, plata, aluminio, pero entre los más blandos se encuentran el cesio, sodio, potasio, rubidio y otros. El oro está muy disperso en la naturaleza. Se encuentra en el agua de mar, en el cuerpo humano y también se puede encontrar en casi cualquier fragmento de granito. En su forma pura, el oro tiene un color amarillo con un toque rojo, ya que el metal es blando e incluso se puede rayar con la uña. Bajo la influencia del medio ambiente, el oro se destruye con bastante rapidez. Este metal es indispensable para los contactos eléctricos. Aunque la plata es veinte veces más abundante que el oro, también es escasa.
Utilizado para la producción de vajillas y joyas. El metal ligero sodio también se ha generalizado y tiene demanda en casi todas las industrias, incluida la industria química, para la producción de fertilizantes y antisépticos.
El metal es mercurio, aunque se encuentra en estado líquido, por lo que se considera uno de los más blandos del mundo. Este material se utiliza en las industrias química y de defensa, agricultura e ingeniería eléctrica.
metales duros
Los metales más duros prácticamente no existen en la naturaleza, por lo que es muy difícil obtenerlos. En la mayoría de los casos se encuentran en meteoritos caídos. El cromo pertenece a los metales refractarios y es el más duro de los más puros de nuestro planeta, además es fácil de mecanizar.
El tungsteno es un elemento químico. Se considera el más duro en comparación con otros metales. Tiene un punto de fusión extremadamente alto. A pesar de su dureza, a partir de él se pueden forjar todas las piezas necesarias. Por su resistencia al calor y flexibilidad, es el material más adecuado para fundir pequeños elementos utilizados en luminarias. El metal refractario tungsteno es la sustancia principal de las aleaciones pesadas.
Metales en energía.
Los metales que contienen electrones libres e iones positivos se consideran buenos conductores. Este es un material bastante popular, caracterizado por su plasticidad, alta conductividad eléctrica y la capacidad de donar electrones fácilmente.
Se utilizan para fabricar cables de potencia, radiofrecuencia y especiales, piezas para instalaciones eléctricas, máquinas y electrodomésticos. Los líderes en el uso de metales para la fabricación de productos de cable son:
- plomo - para una mayor resistencia a la corrosión;
- cobre: por su alta conductividad eléctrica, facilidad de procesamiento, resistencia a la corrosión y suficiente resistencia mecánica;
- Aluminio: para un peso reducido, resistencia a las vibraciones, resistencia y punto de fusión.
Categorías de metales secundarios ferrosos
Existen ciertos requisitos para los residuos de metales ferrosos. Para enviar aleaciones a los hornos de acero, se requerirán determinadas operaciones de procesamiento. Antes de presentar una solicitud para el transporte de residuos, debe familiarizarse con GOST sobre metales ferrosos para determinar su costo. La chatarra secundaria negra se clasifica en acero y hierro fundido. Si la composición contiene aditivos de aleación, se clasifica en la categoría "B". La categoría “A” incluye materiales al carbono: acero, hierro fundido, aditivos.
Los metalúrgicos y fundidores, debido a la limitada base de materias primas primarias, muestran un interés activo por las materias primas secundarias. El uso de chatarra ferrosa en lugar de mineral metálico es una solución que ahorra recursos y energía. El metal ferroso reciclado se utiliza como refrigerante para la fundición de convertidores.
La gama de aplicaciones de los metales es increíblemente amplia. El negro y el de color se utilizan indefinidamente en la industria de la construcción y la maquinaria. La industria energética no puede prescindir de los metales no ferrosos. Los raros y preciosos se utilizan para hacer joyas. Tanto los metales ferrosos como los no ferrosos se utilizan en el arte y la medicina. Es imposible imaginar la vida de una persona sin ellos, desde artículos para el hogar hasta instrumentos y aparatos únicos.