Metais e ligas metálicas

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
1.1 METAIS E LIGAS METÁLICAS
1.1.1 A importância dos metais
Metais por todo o lado
A 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 os
metais», é aos instrumentos metálicos, como as trompas, trompetes e trombones, que ele se
refere e não, certamente, à Tabela Periódica dos Elementos, onde cerca de 80% dos lugares
são 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 se
trata. 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 produtos alimentares com compostos de ferro em apreciável quantidade.
A palavra «metal» deriva de métallon (que significa mina, em grego) e assume, nos
nossos dias, vários significados conforme o contexto em que é utilizada. No âmbito da
Química, a palavra «ferro», por exemplo, pode referir-se ao material sólido com esse nome
utilizado em múltiplas aplicações – pontes e linhas de caminho de ferro (pois claro), comboios 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).
Fig. 1.1
O elemento ferro por
todo o lado: vias férreas, utensílios domésticos, ferrugem e
células vermelhas do
sangue são só alguns
exemplos.
10
1.1 Metais e ligas metálicas
Como os iões ferro são átomos de ferro com deficiência de electrões, utilizam-se os
símbolos Fe2+ e Fe3+ para os seus iões, respectivamente com 2 e 3 electrões a menos em
relação 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 elemento ferro é Fe, já que a palavra em latim é ferrum. Por exemplo, para um estudante português 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
.
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Suponha que, por um imaginário «passe de mágica», todo o ferro da localidade em que
vive... simplesmente desaparecia (considere, para já, apenas o material sólido Fe(s) e não o
elemento Fe; isto é, admita que continua a existir, com o seu coração a bombear o sangue e
a respectiva hemoglobina que leva o oxigénio a todas as células). As cofragens das casas e
os pré-esforçados dos pavimentos e telhados perderiam resistência e o resultado seriam
brechas em toda a estrutura, que cedo acabaria por ruir. Os automóveis parariam quase irreconhecíveis, transformados num amontoado de flácidos pneus, plásticos diversos e várias
peças 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 1.1
mostra algumas das principais utilizações de vários metais e seus iões.
Nome do
elemento
Símbolo
químico
Exemplo de aplicação
enquanto metal
Exemplo da relevância na
forma de ião
Alumínio
Al
Portas e janelas,
trens de cozinha, aviões
Sulfato de alumínio, Al2(SO4)3;
tratamento de águas
Cobre
Cu
Tubagens, fios eléctricos
Sulfato de cobre, CuSO4;
fungicida
Crómio
Cr
Revestimentos cromados, ferramentas
Óxido de crómio (VI), CrO3;
tratamento de madeira
Ferro
Fe
Edifícios, automóveis, navios, pontes
Óxido de ferro (III) hidratado,
Fe2O3.xH2O; ferrugem
Ouro
Au
Joalharia, reserva monetária,
revestimento de satélites
Prata
Ag
Joalharia, soldadura
Titânio
Ti
Ferramentas, aviões
Complexos de ouro (I) com ácido
tiomálico, tratamento da artrite
reumatóide
Brometo de prata, AgBr;
fotografia
Óxido de titânio (IV), TiO2;
pigmento
Tab. 1.1
Relevância prática de
alguns metais e seus
iões.
Os efeitos não seriam muito diferentes dos que acima se descrevem se, por um rapidíssimo «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 imediato do metal e desmoronamento, a consequência inevitável de todas as estruturas
móveis ou imóveis dependentes de ferro, já que a ferrugem não possui a consistência do
metal, além de que ocupa maior volume.
11
Unidade I – Metais
Bem sabemos que a oxidação do ferro é um processo real – e «corrosão» é a palavra
que reflecte a carga (semântica) negativa deste fenómeno – mas, felizmente, relativamente
lento, sobretudo se forem tomadas algumas medidas anti-corrosão. Sabe a quanto amontam os prejuízos da corrosão metálica em Portugal? As estimativas apontam para 4-6% do
PIB (Produto Interno Bruto), ou seja, cerca de 3 mil milhões de euros!
Mas, para não se terminar estes primeiros parágrafos num registo negativo, é bom
lembrar que, além de haver formas de contrariar a corrosão dos metais, também há oxidações úteis, como sucede com a obtenção de corrente eléctrica a partir de pilhas (Fig. 1.2). O
Capítulo 1.2 abordará estes assuntos, na dupla perspectiva dos conceitos químicos e da
prática laboratorial.
B
A
Fig. 1.2
A oxidação dos metais
está na origem de
fenómenos indesejáveis de corrosão (A)
mas também é muito
útil na obtenção de
corrente eléctrica a
partir de pilhas (B).
A forma como os metais ocorrem na Terra e na história da
Humanidade
A história da Humanidade está intimamente relacionada com o aparecimento de
novos materiais e novas técnicas. Os metais desempenham um papel fundamental nesta
evolução histórica. Este facto não constitui admiração já que os metais constituem cerca de
80% dos elementos químicos conhecidos (Fig. 1.3). No entanto, o seu uso é relativamente
recente, porque, na sua maior parte, os metais não se encontram livres na natureza mas
combinados com outros elementos, em regra oxigénio ou enxofre, formando compostos de
onde têm de ser extraídos.
G
1
1,01
Hidrogénio
Li
S
5
Be
Semi-metais
6,94
9,01
Lítio
Berílio
S 12
S
11
19
Magnésio
S 20
S 21
K
4,00
Hélio
G 10
G
Ca
S 24
S 25
S 27
S 26
S 6
S 7
G 8
G 9
B
C
N
O
F
Ne
Al
Si
P
S
Cl
Ar
20,18
10,81
12,01
14,01
16,00
18,99
Néon
Boro
Carbono
Azoto
Oxigénio
Flúor
G 18
G
S 15
S 16
S 17
S 14
13
Não-metais
Na 22,99 Mg24,31
Sódio
He
Metais
S 4
3
G
2
H
S 28
S 30
39,95
26,98
28,09
30,97
32,06
35,45
Alumínio
Árgon
Silício
Fósforo
Enxofre
Cloro
S 31
L 36
G
L 32
S 34
S 35
S 33
S 22
S 23
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Sc
S 29
65,39
83,80
39,10
54,94
69,72
40,08
55,85
72,61
44,96
58,93
74,92
47,87
58,69
78,96
50,94
63,55
79,90
51,99
Zinco
Crípton
Potássio
Manganês
Gálio
Escândio
Cálcio
Ferro
Germânio
Cobalto
Arsénio
Titânio
Níquel
Selénio
Vanádio
Cobre
Bromo
Crómio
S 49
S 43
S 45
S 40
S 47
S 39
S 42
S 54
S 38
S 50
G
S 51
S 46
S 41
S 48
S 52
S 53
44
37
Rb 85,47 Sr
Rubídio
55
87,62
Estrôncio
L 56
S
Cs 132,91 Ba137,33
Césio
87
Fr
Bário
L 88
(223)
Frâncio
S
Ra
(226)
Rádio
Y
57
88,91
Ítrio
* S
La 138,91
Lantânio
89
*S
*
Ac (227)
(98)
112,41
114,82
131,29
101,07
118,71
102,91
91,22
121,75
106,42
127,60
92,91
107,87
126,90
95,94
Cádmio
Xénon
Índio
Ruténio
Estanho
Ródio
Zircónio
Antimónio
Paládio
Telúrio
Nióbio
Prata
Iodo
Molibdénio Tecnécio
S 75
S 77
S 78
S 73
S 76
S 74
S 80
L 81
S 79
S 82
S 83
S 84
G
S 85
S 86
72
Hf 178,49 Ta 180,95 W 183,84 Re 186,21 Os 190,23 Ir
Háfnio
Tântalo
Rénio
Tungsténio
107
Ósmio
108
192,22
Irídio
Platina
104
105
106
Rf
Db
Sg (263) Bh (264) Hs (265) Mt (268) Ds
(261)
Rutherfórdio
(262)
Dúbnio
Bóhrio
Seabórgio
109
Pt 195,08 Au196,97 Hg 200,59 Tl
Hássio
Ouro
111
110
Meitnério
(269)
Darmstádio
204,38
Tálio
Mercúrio
112
Chumbo
114
(209)
Polónio
Bismuto
S
Uuq
Uuu(272) Uub(277)
Ununúnio
Pb207,20 Bi 208,98 Po
(285)
Ununquádio
Unúmbio
At
(210)
Astato
A maioria dos elementos da Tabela
Periódica são metais.
12
S 59
58
S 60
S 61
62
Ce140,12 Pr 140,91 Nd144,24 Pm(145) Sm
Cério
90
Praseodímio Neodímio
Promécio
S 93
S 91
S 92
Th232,04 Pa231,04 U
Tório
Protactínio
238,03
Urânio
S 63
150,36
Samário
118
Uuh(289)
Uuo(293)
Ununhéxio
Ununóctio
94
S 64
S 65
S 66
95
Gadolínio
Térbio
97
96
Disprósio
98
Cf
Np (237) Pu (244) Am(243) Cm (247) Bk
(247)
Neptúnio
Plutónio
S 67
S 68
S 69
S 70
S 71
S
Eu151,96 Gd
Tb158,93 Dy162,50 Ho164,93 Er 167,26 Tm168,93 Yb173,04 Lu174,97
157,25
Európio
Amerício
Cúrio
Berquélio
(251)
Califórnio
Hólmio
99
Es
(252)
Einstêinio
Érbio
100
Túlio
101
Itérbio
102
Lutécio
103
Fm (257) Md (258) No (259) Lr
Férmio
Mendelévio
(222)
Rádon
116
Actínio
Fig. 1.3
Rn
Nobélio
(262)
Laurêncio
Unidade I – Metais
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 elementos metálicos ou não metálicos. Trata-se, então, de verdadeiras soluções sólidas, obtidas 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.
Fig. 1.24
Imagem obtida por
microscopia de efeito
túnel de átomos de
ouro sobre um substracto de grafite.
Questão 1.9
Tab. 1.4
Ligas metálicas: principais componentes e
algumas aplicações.
32
Tipo de liga
Composição
Aplicações
Aços
Ferro + carbono (0,2% - 2%)
Construção civil, indústria
metalomecânica, ferramentas
Aço inox
Ferro + crómio (+ níquel)
Peças de máquinas, tubagem,
utensílios, ferramentas
Amálgamas
Mercúrio + outro metal
Deposição de metais em camada
delgada, medicina*
Bronze
Cobre + estanho
Peças para navios, parafusos,
escultura, objectos decorativos
Constantan
Cobre + níquel
Termopares metálicos,
resistências eléctricas
Cuproníquel
Cobre + níquel
Tubagens, moedas
Duralumínio
Alumínio + cobre
Aeronáutica, automóveis
de competição.
Latão
Cobre + zinco
Construções metálicas, utensílios
Nitinol
Níquel + titânio
Medicina, segurança contra incêndios,
armação de óculos, joalharia
Ouro amarelo
Ouro + prata + cobre
Joalharia, cunhagem de moeda
Ouro branco
Ouro + zinco + cobre ou ouro +
níquel + paládio
Joalharia
Solda
Chumbo + Estanho
Soldadura
*Até há bem pouco tempo, usavam-se amálgamas de prata na obturação de dentes. Porém, a demonstração de que libertavam mercúrio, altamente tóxico, viria a conduzir à sua substituição por compósitos cerâmicos.
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 aplicações práticas. Por exemplo, uma liga de ferro e carbono, com cerca de 4% deste elemento, 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 exemplo, 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 manganês), 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 necessárias, 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 joalharia 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).
Fig. 1.25
As chaves de parafusos têm frequentemente indicação da
presença de crómio e
vanádio.
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 denominadas 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 fenómeno é a ocorrência de uma mudança brusca da rede cristalina dos átomos quando o material 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 propriedades desejadas.
A Actividade Laboratorial AL 1.1 – Composição de uma liga metálica – propõe a análise da composição de ligas metálicas em moedas.
ACTIVIDADE
LABORATORIAL
33
Unidade I – Metais
O arame que se «lembra» da sua forma
Fig. 1.26
Ligas metálicas usadas em cirurgia (cortesia Admedes, Alemanha).
A propriedade de um arame da liga
««Nitinol» adquire, por aquecimento, a
forma que lhe tenha sido conferida anteriormente (em frio, seguida de aquecimento) deve-se à existência de duas fases
cristalinas: uma estável a temperaturas baixas 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.
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 metálicos. As outras substâncias elementares não-metálicas sólidas dividem-se em duas categorias, 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 covalentes. 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 positivos 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 mostra 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.
34