metale

7
1 METALE 1. Stare naturală. Stare nativă (liberă) ,rar, metalele nobile: Ag,Pt,Au. Compuşi. Mineral corp chimic natural, mai mult sau mai puţin omogen, component al rocilor şi minereurilor,frecvent reprezentat printr-o combinaţie chimică şi mai rar prin elemente native. Minereu acumulare de unul sau mai multe minerale din care se pot extrage pe scară industrială,în mod rentabil, unul sau mai multe componente utile (de obicei metale). Ganga (steril) minerale nemetalifere care însoţesc mineralul din care se extrage metalul. Minereuri mai importante : Halogenuri : fluorina (CaF 2 ), sarea gemă(NaCl), silvina (KCl), carnalita( KCl·MgCl 2 ·6H 2 O) Oxizi şi hidroxizi : corindon (Al 2 O 3 ), magnetita (Fe 3 O 4 ), hematita(Fe 2 O 3 ), casiteritul(SnO 2 ), piroluzita(MnO 2 ), hidrargilita[Al(OH) 3 ] n , bauxita [AlO(OH)]. Sulfuri : galena(PbS), blenda(ZnS), pirita(FeS 2 ), calcopirita(CuFeS 2 ),calcozina(Cu 2 S), argentitul(Ag 2 S) Azotaţi : salpetru de Chile(NaNO 3 ), salpetru de India (KNO 3 ) Carbonaţ i : calcita(CaCO 3 , varietăţi: calcar sau piatră de var,marmura,creta, aragonit, spat de Islanda), magnezit (MgCO 3 ), dolomit (MgCO 3 ·CaCO 3 ), malachit (CuCO 3 ·Cu(OH) 2 ), siderit (FeCO 3 ). Sulfaţi : baritina(BaSO 4 ), gipsul (CaSO 4 ·2H 2 O). Răspândire : Al (7,5 %), Fe (5,1 %), Ca (3,5 %), Na (2,6 %), K (2,4 %), Mg (2,1 %). 2. Clasificarea metalelor . Metale de tip s ns 1 grupa I A grupa metalelor alcaline ns 2 grupa II A grupa metalelor alcalino-pământoase metale de tip p ns 2 p 1 grupa III A grupa metalelor pământoase ns 2 p 2 grupa IV A grupa carbonului ( Sn, Pb) ns 2 p 3 grupa V A grupa azotului (Sb,Bi) ns 2 p 4 grupa VI A grupa oxigenului ( Po radioactiv) metale de tip d (n-1)d 1-10 ns 2 grupe secundare metale tranziţionale metale de tip f (n-2)f 1-14 (n-1)d 1 ns 2 lantanide şi actinide. 3. Metode de obţinere. Metalurgia ramura industriei care se ocupă cu obţinerea metalelor din minereuri, obţinerea aliajelor şi prelucrarea lor termică şi mecanică.

Upload: ciresica-sanda-cocindau

Post on 31-Oct-2015

31 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: METALE

1

METALE

1. Stare naturală.

Stare nativă (liberă) ,rar, metalele nobile: Ag,Pt,Au.

Compuşi. Mineral – corp chimic natural, mai mult sau mai puţin omogen, component al

rocilor şi minereurilor,frecvent reprezentat printr-o combinaţie chimică şi mai rar prin

elemente native.

Minereu – acumulare de unul sau mai multe minerale din care se pot extrage

pe scară industrială,în mod rentabil, unul sau mai multe componente utile (de obicei

metale).

Ganga (steril) – minerale nemetalifere care însoţesc mineralul din care se

extrage metalul.

Minereuri mai importante :

Halogenuri : fluorina (CaF2), sarea gemă(NaCl), silvina (KCl), carnalita( KCl·MgCl2·6H2O)

Oxizi şi hidroxizi: corindon (Al2O3), magnetita (Fe3O4), hematita(Fe2O3), casiteritul(SnO2),

piroluzita(MnO2), hidrargilita[Al(OH)3]n, bauxita [AlO(OH)].

Sulfuri : galena(PbS), blenda(ZnS), pirita(FeS2), calcopirita(CuFeS2),calcozina(Cu2S),

argentitul(Ag2S)

Azotaţi: salpetru de Chile(NaNO3), salpetru de India (KNO3)

Carbonaţi : calcita(CaCO3, varietăţi: calcar sau piatră de var,marmura,creta, aragonit,

spat de Islanda), magnezit (MgCO3), dolomit (MgCO3·CaCO3), malachit (CuCO3·Cu(OH)2),

siderit (FeCO3).

Sulfaţi: baritina(BaSO4), gipsul (CaSO4·2H2O).

Răspândire: Al (7,5 %), Fe (5,1 %), Ca (3,5 %), Na (2,6 %), K (2,4 %), Mg (2,1 %).

2. Clasificarea metalelor.

Metale de tip s ns1 grupa I A grupa metalelor alcaline

ns2 grupa II A grupa metalelor alcalino-pământoase

metale de tip p ns2p1 grupa III A grupa metalelor pământoase

ns2p2 grupa IV A grupa carbonului ( Sn, Pb)

ns2p3 grupa V A grupa azotului (Sb,Bi)

ns2p4 grupa VI A grupa oxigenului ( Po – radioactiv)

metale de tip d (n-1)d1-10ns2 grupe secundare – metale tranziţionale

metale de tip f (n-2)f1-14(n-1)d1ns2 lantanide şi actinide.

3. Metode de obţinere.

Metalurgia – ramura industriei care se ocupă cu obţinerea metalelor din minereuri,

obţinerea aliajelor şi prelucrarea lor termică şi mecanică.

Page 2: METALE

2

A. Prelucrarea mecanică a minereului – aducerea minereului la o granulaţie optimă,

îndepărtarea sterilului şi îmbogăţirea minereului în produs util. Se realizează prin

sfărâmare (concasare), măcinare şi concentrare (flotaţie).

Flotaţia – se trece un curent de aer printr-o suspensie în apă de minereu măcinat fin

şi amestecat cu substanţe spumante.Particulele de minereu util aderă la bulele de

aer şi se adună în spumă care se ridică la suprafaţă, iar particulele de steril se udă cu

apă şi cad pe fundul vasului. Spuma se colectează şi se separă minereul util.

B. Prelucrarea chimică a minereului – obtinerea metalului. Metoda folosită depinde de

natura minereului şi de metalul care se obţine.

1). Metode pirometalurgice - se realizează la temperaturi ridicate.

1.1) reducere pe cale uscată, din oxizi:

a) reducerea cu C (cocs).

MO + C → M + CO M = Zn, Pb.

• Li,Ca,Sr,Ba, grupa III,lantanidele – nu se reduc cu C deoarece se formează carburi.

• Mg se obţine prin reducere cu cocs la 2000oC şi vaporii de Mg se culeg în

atmosferă de hidrogen.

• prin reducerea cu cocs a unui amestec de oxizi se obţin feroaliaje (feromangan,

ferocrom, feromolibden), folosite la obţinerea otelurilor aliate speciale.

•obţinerea fontei (aliaj Fe cu 2-6%C) – se introduce în furnal alternativ cocs,

minereu, fondant (micşorează temperatura de topire a sterilului şi ajută la formarea

zgurii). Se suflă aer de jos în sus. Au loc reacţiile :

C + O2 → 2CO - în primul strat de cocs

FeO + CO → Fe + CO2 - în stratul de minereu

CO2 + C → 2CO - în stratul de cocs

Fonta topită se adună în partea de jos a furnalului. În fontă C se găseşte sub formă

de carbură Fe3C (cementită).

• dacă minereul este sulfură, aceasta se transform în oxid prin prăjire (reacţia cu

oxigenul)

2 FeS2 + 11/2 O2 → Fe2O3 +4 SO2

SO2 rezultat se foloseşte la obţinerea acidului sulfuric.

b) reducerea cu H2 – se obţin metale în stare pură, fin divizate (Ni, Cu, Fe, W)

NiO + H2 → Ni + H2O

c) reducerea cu alte metale – încălzirea minereului cu un metal mai reactiv.

UF4 + 2 Ca → U + 2CaF2

HgS + Fe → Hg + FeS

Cr2O3 + Al → Cr + Al2O3 - aluminotermie – Mn, V.

1.2) descompunerea termică a unor săruri sau oxizi ( metalele puţin reactive).

HgO → Hg + ½ O2

Page 3: METALE

3

AuCl3 → Au + 3/2 Cl2

(NH4)2[PtCl6+ → 2 NH3 + 2 HCl + 2 Cl2 + Pt

2). Metode hidrometalurgice – reducere pe cale umedă- compuşii metalici sunt

trecuţi în soluţie de unde sunt reduşi cu metale mai active sau cu agenţi reducători

(SnCl2, FeSO4, glucoză,hidroxilamină,etc.).

CuSO4 + Fe → Cu + FeSO4

Na[Au(CN)2+ + Zn → 2 Au + Na2[Zn(CN)4]

H2[PtCl6] + 2 SnCl2 → Pt + 2 SnCl4 + 2 HCl

3 AgNO3 + 3 FeSO4 →3 Ag + Fe(NO3)3 + Fe2(SO4)3

• obţinerea oglinzilor de argint prin reducerea argintului din azotat de argint cu

glucoză.

3). Metode electrometalurgice – electroliza.

a). Electroliza topiturilor de săruri sau oxizi: Na,K, Ca, Mg – electroliza clorurilor; Al-

electroliza Al2O3 (alumină).

b). electroliza soluţiilor de săruri – recuperarea unor metale din deşeuri. Acestea sunt

transformate în compuşi solubili în apă şi se electrolizează.

Cu2(CO3)(OH)2 + 2 H2SO4 → 2 CuSO4 + CO2 + 4 H2O

carbonat bazic de Cu

( cocleala)

CuSO4 (soluţie) ăelectroliz Cu

4. Proprietătile fizice generale ale metalelor.

• starea de agregare – solide , Hg – lichid.

• luciu metallic – reflectă lumina în stare compactă, sub formă de pulbere doar Mg şi Al

îşi păstrează luciul.

• opacitatea – metalele sunt opace – nu lasă lumina să treacă, o reflectă sau o absoarbe.

• culoarea – alb argintii ( Na, K, Ca, Mg, Al, Cr, Hg) , cenuşii ( Pb, Fe).În stare de pulbere

sunt cenuşii cu excepţia Mg şi Al care sunt alb – argintii.

Cu – roşu – arămiu, Au – galben.

• densitatea – variază în limite largi

- metale uşoare – ρ < 5 g /cm3 – K, Na, Mg, Al

- metole grele - ρ > 5 g /cm3 - Os, Pt, Au, Hg, Pb.

• temperatura de topire – între limitele Hg - 39oC şi W +3370oC

• conductibilitatea electrică – electronii din benzile de energie se pot deplasa ordonat,

dacă se aplică o diferenţă de potenţial la capetele unui fir metalic,deci apare un curent

electric. Cei mai buni conductori : Ag, Cu, Au, Al.

• conductibilitatea termică – sunt bune conducătoare de căldură. Cei mai buni conduc-

tori sunt : Ag, Cu, Al.

• duritatea – este proprietate mecanică a metalelor care indică rezistenţa lor la

Page 4: METALE

4

acţiunea unor forţe exterioare ( lovire, zgâriere )

- metale cu duritate foarte mică – Na , K.

- metale cu duritate medie – Pb, Mg, Sn, Al, Ag, Au.

- Metale dure – Cr,W.

• plasticitatea – metalele se pot deforma şi îşi păstreză forma dată.

- Malebilitatea – se pot trage în foi (laminare)

- Ductilitate - se pot trage în fire (filare)

• solubilitatea – sunt insolubile în solvenţii obişnuiţi, se pot dizolva în alte metale formând

aliaje.

5. Proprietăţile chimice generale ale metalelor.

1) Caracterul alectrochimic – electropozitiv – ajung la stabilitate chimică cedând electroni

şi formând ioni pozitivi.

M + ne- → M2+

Caracterul electrochimic (reactivitatea chimică) al metalelor scade conform seriei

potenţialelor electrochimice (seria de activitate) a metalelor.

Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Bi, Sb, Hg, Ag,Pt, Au.

2) Reacţia cu nemetalele.

a) Reacţia cu hidrogenul – reacţionează numai metalele din grupele I A şi II A, rezultă

hidruri ionice (conţin ionul hidrură H:-), care hidrolizează .

2 M + H2 → 2MH

MH + H2O →MOH + H2↑

Metalele tranziţionale formează hidruri interstiţiale, hidrogenul se găseşte în golurile

din reţeaua cristalină.

b) Reacţia cu oxigenul – rezultă oxizi.

• Li,K,Ba,Ca,Na – reacţionează la temperatură obişnuită formând oxizi, se păstrază

sub petrol.La încălzire formează peroxizi sau superoxizi.

4 Na + O2 →2 Na2O

oxid de sodiu

2 Na + O2 C

ot

Na2O2

peroxid de sodiu

peroxizii hidrolizează formând apa oxigenată

Na2O2 + H2O → NaOH + H2O2

peroxid de hidrogen (apă oxigenată)

• Mg ----- Pb - reacţionează la încălzire, la temperatură obişnuită se pasivează , se

acoperă cu un strat de oxid care împiedică oxidarea în continuare. Excepţie face

ferul care rugineşte, deoarece rugina, [FeO(OH)] , este poroasă şi nu împiedică

pătrunderea oxigenului la straturile interioare ale metalului.

Page 5: METALE

5

Al + O2 → Al2O3

3 Fe + 2 O2 → Fe3O4 ( FeO·Fe2O3)

oxid feroferic

Zn, Cr, Ni – se folosesc la protejarea ferului împotriva coroziunii.

• Cu,Bi……Ag – reacţionează la încalzire puternică.

• Pt, Au – nu reacţionează.

c) Reacţia cu halogenii – rezultă halogenuri.

Fe + 3/2 Cl2 → FeCl3

clorură de Fe(III)

d) Reacţia cu sulful – se formează sulfuri.

Fe + S → FeS

Sulfură de Fe(II)

e) Reacţia cu azotul – se formează azoturi (nitruri).

Azoturile metalelor alcaline şi alcalino-pământoase conţin ionul azotură N3-, sunt

stabile în stare solidă, în soluţie hidrolizează formând amoniac.

3 Mg + N2 → Mg3N2

azotură de Mg

Mg3N2 + 6 H2O → 3 Mg(OH)2 + 2 NH3↑

f) Reacţia cu fosforul – rezultă fosfuri.

Fosfurile metalelor alcaline şi alcalino-pământoase conţin ionul fosfură, P3-, sunt

stabile în stare solidă, în soluţie hidrolizează formând fosfină (PH3)

3 Ca + 2 P → Ca3P2

Ca3P2 +6 H2O → 3 Ca(OH)2 + PH3

fosfină (hidrogen fosforat)

Cu metalele tranziţionale formează combinaţii interstiţiale, în care atomii de fosfor

sunt intercalaţi în golurile reţelei cristaline.

g) Reacţia cu carbonul – rezultă carburi.

• Carburi care conţin ionul C4- şi la hidroliză formează metan sunt : Al4C3 şi Be2C.

Al4C3 + 12 H2O → 3 CH4 + 4 Al(OH)3

• Carburi interstiţiale ale metalelor tranziţionale se obţin prin incalzirea metalului

pulbere cu carbon. Sunt greu fuzibile şi inerte chimic.

3) Reacţia cu acizii.

• metalele situate înaintea hidrogenului în seria de activitate înlocuiesc hidrogenul din

acizi.

Fe + 2 HCl → FeCl2 + H2↑

Unele metale sunt pasivate de acizi: Pb –pasivat de H2SO4 diluat, Al ,Fe.Cr– pasivate de

HNO3 concentrat.

Pb,Sn – reacţionează cu acizii oxidanţi (H2SO4, HNO3 ), concentraţi ca şi cuprul.

Page 6: METALE

6

• metalele situate după hidrogen nu înlocuiesc hidrogenul din acizi.

Cu ....Ag – reacţionează cu acizii oxidanţi concentraţi dând sare, oxid de nemetal şi apă.

Cu + 2 H2SO4 → CuSO4 + SO2↑ + 2 H2O

3Cu + 8 HNO3 →3 Cu(NO3)2 + 2 NO↑+ 4 H2O

Pt, Au – nu reacţionează cu acizii, reacţionează cu apa regelă, un amestec de HCl şi HNO3

în raport molar de 3 : 1

Au + 3 HCl + HNO3 →AuCl3 + NO + 2H2O

4) Reacţia cu apa

• metalele mai reactive decât hidrogenul înlocuiesc hidrogenul din apă

Li .....Na – reacţionează la temperatură obişnuită formând hidroxizi, se păstrează sub

petrol.

Na + H2O → NaOH + ½ H2↑

Mg …..Pb reacţionează la încălzire şi rezultă hidroxizi (Mg,Al) sau oxizi

Mg + H2O → Mg(OH)2 + H2↑

3Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2↑

oxid feroreric

5) Reacţia cu compuşi ai altor metale.

Metalele mai active înlocuiesc din compuşi (oxizi, săruri) metalele mai puţin active.

Cr2O3 + Al → Cr + Al2O3

CuSO4 + Fe →Cu + FeSO4

6) Reacţia cu bazele.

Metalele cu caracter amfoter ( Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi) reacţionează cu apa formând

combinaţii complexe.reacţia are loc în două etape.

2 Al + 6 H2O → 2 Al(OH)3 + 3 H2

2 Al(OH)3 +2 NaOH → 2 Na[ Al(OH)4]

2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na*Al(OH)4] + 3 H2↑

tetrahidroxoalumunat de Na

6. Aliaje

Amestecuri de metale sau metale cu nemetale.

• omogene (soluţii solide) : Au – Ag (aur dentar), Au-Ag-Cu (aur de bijuterii), Fe-Ni,

Fe-Co.

Metalele aflate departe unul de altul în sistemul periodic formează aliaje ce conţin

compuşi intermetalici, compuşi cu o compoziţie chimică definită dar în care nu se

respectă valenţa metalului . Aliajul Au-Zn conţine compuşii : AuZn,Au3Zn5, AuZn3

• eterogene : Sn – Pb ( aliajul de lipit) , Pb-Sn-Sb (aliajul tipografic).

•aliajele cu nemetale conţin şi compuşi ai mealului cu nemetalui : fonta conţine Fe3C

(cementită).

Page 7: METALE

7

Proprietăţi fizice ale aliajelor.

• densitatea este intermediară faţă de densităţile metalelor componente,

•duritatea este mai mare decât a metalelor componente,

•temperatura de topire este mai mică decât a metalelor componente,

•conductibilitatea electrică este mai mică decât a metalelor componente,

• rezistenţa mecanică şi la coroziune sunt mai mari decât ale metalelor componente.

Aliaje mai importante.

• fonta: Fe – C (2 -6 %)

Fonta de turnătorie – carbonul este sub formă de grafit, conţine Si, Mn ;şi procente mici

de P şi S. Este folosită la confecţionarea de radiatoare , calorifere, plite, ceaune, etc.

Fonta de afinare – carbonul este sub formă de cementită, are duritatea mai mare şi se

foloseşte la obţinerea oţelurilor.

Feroaliaje - au procent mai mare de Mn, Cr, Mo,V,etc. şi se folosesc la obţinerea

oţelurilor speciale.

• oţeluri : Fe – C ( 0,3 – 2 %) - Si, S, P – în procente foarte mici.

Oţeluri carbon Fe - C (Mn, Si, S, P) folosite în construcţii mecanice, confecţionarea unor

piese.

Oţeluri speciale – conţin Ni, Cr, V, Co,W, etc., pentru îmbunătăţirea proprietăţilor.

Oţeluri cu Ni – rezistente la solicitări mecanice;

Oţeluri cu Cr – duritate mare , folosite la unelte , bile, roţi dinţate, piese

inoxidabile;

Oţeluri rapide – W,Cr, v, Co,Mn – folosite la fabricarea cuţitelor pentru

maşini aşchietoare, burghie rezistente la viteze mari.

• alame Cu – Zn – folosite la confecţionarea de ventile, piuliţe, inele.

• bronzuri Cu – Sn folosite la confecţionarea de lagăre, armături speciale, sârme, statui.

•duraluminiu Al – Mg – Cu – Mn folosit în industria aeronautică si la automobile.

• aliaj pentru lipit Pb – Sn

•aliaj tipografic Pb – Sb – Sn

• nichelina Cu – Ni rezistenţe electrice.

•amalgamele - aliaje ale mercurului , folosite în tehnica dentară şi în procesele

electrolitice.