ligas metálicas - Química nas Taipas
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2013/2014 LIGAS METÁLICAS METAIS A palavra “metal” (na Grécia antiga, métalon que significa mina) assume, no nosso quotidiano, vários significados conforme o contexto em que é utilizada. Quimicamente, um metalé um elemento, substância ou liga, caracterizado pela boa condutividade elétrica e térmica, pela cor vulgarmente prateada ou amarelada, por um alto ponto de fusão e de ebulição,e uma elevada dureza. Os metais são extraídos de minérios que se encontram na natureza, em minas no interior da terra ou a céu aberto. ELEMENTOSMETÁLICOS NA TABELA PERIÓDICA GRUPO METAIS 1 1 SEMIMETAIS 2 PERÍODO 13 17 NÃO METAIS 2 3 1 8 3 4 5 6 7 8 9 10 11 14 15 16 12 4 5 6 7 A maioria dos metais é quimicamente estável, com a exceção notável dos metais alcalinos e alcalino-terrosos, encontrados nos dois primeiros grupos da Tabela Periódica. Os elementos semimetálicos são aqueles que apresentam, simultaneamente, propriedadescaracterísticas dos elementos metálicos e dos elementos não metálicos. A Química e o Desporto 23 2013/2014 1 Na classe dos metais encontram-se alguns que são particularmente semelhantes, agrupando-se, por isso, em famílias: 1 2 17 18 18 17 88 2 Metais de transição Metais alcalinos Metais alcalino-terrosos Halogéneos Gases nobres ENERGIA DE IONIZAÇÃO Energia mínima necessária para ejetar uma mole de eletrões de uma mole de átomos neutros, no estado gasoso e fundamental, de forma a originar “iões positivos”. Ao longo de um período da Tabela Periódica, a energia de ionização aumenta dos metais para os não metais Os metais apresentam valores baixos de energia de ionização e os não metaisapresentam valores mais elevados Assim, os elementos metálicos formam, predominantemente, iões positivos e os elementos não metálicos, iões negativos. ENERGIA DE IONIZAÇÃO AUMENTA 18 ENERGIA DE IONIZAÇÃO AUMENTA 1 13 2 14 Li Na K M g Ca Rb Sr Cs Ba 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 C r Mn Fe Co Ni Cu Zn Ag Al 15 16 17 N O F P S Cl Br Sn I Pb A Química e o Desporto 24 2013/2014 AFINIDADE ELETRÓNICA Energia necessária para retirar um eletrão de um ião mononegativo. Tende a ser maior para os elementos do lado direito da Tabela Periódica Quanto mais elevada for a energia libertada quando um átomo capta um electrão, mais estável é o anião em relação ao átomo e maior é a sua afinidade electrónica. ELEMENTOS NÃO METÁLICOS ELEMENTOS METÁLICOS Apresentam elevados valores para a afinidade eletrónica, pelo que são mais estáveis sob a forma de aniões. Apresentam baixas afinidades eletrónicas, pelo que não têm tendência a captar eletrões. AFINIDADE ELETRÓNICA AUMENTA 1 1 He 8 AFINIDADE ELETRÓNICA AUMENTA H +73 2 Li Be +60 13 B 17 0 +27 Na Mg +53 0 K Ca Rb Sr Cs Ba +48 +47 +45 Fr +44 +2 +5 +14 Ra Al 3 Sc 11 +18 Y 4 Ti 12 V Cr 6 +51 Zr Nb Mo Tc +41 Lu Hf Lr Rf +86 Ta +16 +72 +53 W Re +31 +79 Db Sg 7 Mn Fe Co +8 +30 +64 5 Ru +101 Os 8 Ni 9 Cu +112 Rh Pd Ag Cd Ir +54 Pt +14 +106 +151 +205 Bh Hs Mt Ds +126 -47 -32 Au Hg +223 +43 +122 Si +124 N -7 P +72 Zn Ga Ge As +64 +110 +118 10 C 14 -61 +29 In +116 Sn +29 +116 Tl Pb +20 +35 +78 Sb +103 Bi +91 15 O +141 S +200 Se +195 Te +190 Po +183 16 -21 F Ne Cl Ar +328 +349 Br -29 -35 Kr +325 -39 I Xe At Rn +295 +270 -41 -41 Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo A Química e o Desporto 25 2013/2014 ESTRUTURA DOS METAIS LIGAÇÃOMETÁLICA MODELO DE LIGAÇÃO METÁLICA Qualquer superfície não polida e não oxidado de um metal, por exemplo a que fica exposta ao partir-se um fio metálico, mostra pequenos cristais. As formas geométricas regulares destes cristais constituem uma indicação do arranjo regular dos respetivos átomos. Alguns métodos físicos, tais como a difração de raiosX, revelam a forma de empacotamento regular dos átomos. Estrutura cúbica simples Estrutura cúbica de corpo centrado Estrutura cúbica de corpo centrado Estrutura hexagonal de empacotamento perfeito A forma compacta como os átomos dos metais se associam significa que os respetivoseletrões de valência se encontram partilhados entre cada átomo e os vizinhos, e entre estes e os seguintes e, assim, sucessivamente. Os eletrões de valência constituem, assim, uma nuvem ou “mar” de carga elétrica negativa que abrange todo o cristal e onde se inserem, segundo o tipo de empacotamento, os cernes atómicos, de carga positiva, formados pelos núcleos e pelos eletrões mais interiores. A estabilidade de cada cristal metálico resulta, sobretudo, de um balanço entre as atrações “mar de eletrões” – “cernes atómicos” e as repulsões entre estes cernes de carga positiva (e entre os eletrões de valência partilhados), com vantagem para as atrações. É nisto que consiste a chamada ligação metálica. A eficácia da ligação metálica depende de vários fatores, em que se inclui o número de eletrões de valência partilhados e, consequentemente, a carga dos cernes. A Química e o Desporto 26 2013/2014 PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS METAIS COMO SUBSTÂNCIAS OU MATERIAIS Os metais apresentam algumas propriedades que fazem com que eles sejam únicos para algumas aplicações. COR E BRILHO Quando polidos, os metais apresentam-se brilhantes e de cores diferentes em função de refletirem ou não todas as radiações que sobre eles incidem. A reflexão da luz é explicadapela presença de eletrões livres nos metais, que podemser excitados por absorção de fotões e voltar ao estado inicial emitindo fotões. RESISTÊNCIA ELÉTRICA E TÉRMICA Um metal, geralmente, apresenta valores elevados para a condutividade elétrica e térmica, o que significa que são bons condutores de corrente elétrica e de calor. Os eletrões deslocalizados têm grande mobilidade dentro da rede, comunicando o impulso elétrico com rapidez. Os eletrões deslocalizados transmitem a energia de vibração de um ião positivo aos iões vizinhos. PONTO DE FUSÃO E DE EBULIÇÃO Os metais apresentam pontos de fusão variados. Os elevados pontos de fusão e ebulição nos metais devem-se às intensas forças de atração entre partículas, que levam à necessidade de um valor elevado de energia térmica para superar as forças de atração entre os iões positivos e os eletrões deslocalizados. A Química e o Desporto 27 2013/2014 DUREZA Esta propriedade confere aos metais a capacidade de resistir, de forma permanente, à deformação, quando sujeito a uma carga. Assim, quanto maior dor a dureza, maior será a sua resistência à deformação. Devido à elevada intensidade de ligação metálica e ao facto das partículas presentes nos metais estarem fortemente “empacotadas” na rede cristalina, os metais são geralmente duros. DENSIDADE A densidade dos metais não é toda da mesma ordem de grandeza, razão pela qual alguns metais são classificados como metais densos e outros considerados como metais pouco densos. À medida que o número atómico aumenta nos metais de transição, a massa do átomo aumenta sem que o raio varie significativamente, o que implica um aumento da densidade. DUCTILIDADE A ductilidade de um metal é a propriedade que lhe permite ser sujeito a estiramento Estiramento Fios de cobre para se obter fios finíssimos. MALEABILIDADE Propriedade que permite moldar e deformar os metais. A distorção não rompe a ligação metálica entre partículas, isto porque dada a sua natureza não direcional, o deslocamento de átomos não altera significativamente as forças de ligação. A Química e o Desporto 28 2013/2014 LIGAS METÁLICAS = METAIS Uma consequência direta da estrutura dos metais é a possibilidade de se formarem ligas metálicas. Um “metal puro” é constituído por átomos de uma única espécie, que se encontram regularmente distribuídos num determinado reticulado cristalino. A introdução de átomos de elementos estranhos nesse sistema altera a rede cristalina inicial, dando origem ao aparecimento de uma nova fase, diferente daquela que existia quando o metal era puro. Uma ligametálica éassim, uma mistura sólida, frequentemente homogénea, que se obtém por arrefecimento de um metal fundido com um ou mais elementos, metálicos ou não metálicos, que não podem ser separados por processos físicos. 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). Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de produção. METAIS (COBRE E ESTANHO) LIGA METÁLICA (BRONZE) Ligas metálicas são materiais de propriedades semelhantesàs dos metais, porém melhores do ponto de vista tecnológico, e que contêm pelo menos um metal na sua composição. Distinguem-se de compostos químicos, pelo facto dos elementos ocorrem em proporções bem definidas. Há ligas formadas somente de metais e outras formadas de metais e semimetais (como por exemplo o boro e o silício), de metais e não-metais (como o carbono e o fósforo). A Química e o Desporto 29 2013/2014 Classificações das LIGAS METÁLICAS FERROSAS NÃO FERROSAS Apresentam o elemento ferrocomo constituinteprincipal. Não apresentam o elemento ferrocomo constituinte. Alpaca (prata alemã) Barras de Aço SUBSTITUCIONAIS Liga na qual os átomos de um metal são substituídos por átomos de outro metal (o que só é possível quando os raios atómicos não diferirem em mais de 15%). INTERSTICIAIS Liga na qual os átomos de soluto são tão pequenos que se podem ajustar nos interstícios do retículo. O raio atómico do soluto deve ser inferior a 60% do raio atómico do elemento principal. A Química e o Desporto 30 2013/2014 DIFERENTES PROPRIEDADES NAS LIGAS METÁLICAS As propriedades resultantes do processamento das ligas metálicas são determinadas pelos metais fundidos nesse processamento, as composições de cada metal na liga formada, pela estrutura do arranjo cristalino das ligas, pelo tamanho dos cristais e pelos tratamentos adicionais que se podem realizar. A variação destes fatores leva à formação de diversas composições de ligas metálicas. Deste modo, as propriedades adquiridas tornam as ligas formadas, úteis para cada aplicação específica. AUMENTO DA DUREZA A utilização, por exemplo, do elemento Ouro (Au) na forma como é encontrado na natureza não é viável para fabricar objetos consistentes, pois este elemento é mais maleável que a grande maioria dos metais. Mas a adição do elemento prata (Ag) e do elemento cobre (Cu) permite a formação de uma ligação metálica, aumentando a dureza, e possibilitando a utilização da liga Au+Ag+Cu para o fabrico de jóias, anéis, pulseiras, relógios, etc. Esta liga metálica formada é também conhecida por Ouro 18 quilates, apresentando 75% de massa de ouro e 25% correspondentes à prata e ao cobre. Jóia de Ouro 18 quilates AUMENTO DA RESISTÊNCIA À DEFORMAÇÃO MECÂNICA Para fabricar materiais com maior resistência à deformação mecânica, é necessário recorrer à ligação metálica entre metais. O aço, por exemplo, é formado pelos elementos ferro (Fe) e carbono (C). Esta liga tem uma elevada resistência mecânica, e por essa razão é frequentemente utilizada na confecção de peças metálicas que sofrem tração também elevada. Uma utilização muito comum do aço inox é em materiais cirúrgicos, por esta liga apresentar alta resistência à oxidação (perda de eletrões por um dos reagentes de uma reação oxidação-redução). A Química e o Desporto 31 2013/2014 APLICAÇÕES DAS LIGAS METÁLICAS As alterações estruturais pela formação de ligas conduzem a importantes modificações das propriedades originais do material, que encontram uma gama variada de aplicações. Tipo de liga Composição Aplicações AÇOS Fe + C (0,2% - 2%) Construção civil, ferramentas AÇO INOX Fe + Cr (+ Ni) Tubagem, utensílios, ferramentas BRONZE Cu + Sn Peças para navios, escultura CONSTANTAN Cu + Ni Resistências eléctricas CUPRONÍQUEL Cu + Ni Tubagens, moedas DURALUMÍNIO Al + Cu Indústria aeronáutica e automobilística LATÃO Cu + Zn Construções metálicas, utensílios NITINOL Ni + Ti Medicina, armação de óculos OURO AMARELO Au + Ag + Cu Joalharia, cunhagem de moeda SOLDA Pb + Sn Soldadura NO DESPORTO… AÇO ALUMÍNIO BRONZE FERRO FUNDIDO A Química e o Desporto 32 2013/2014 DEGRADAÇÃO DOS METAIS O ferro e suas ligas são dos materiais mais importantes usados na atualidade. Contudo, são materiais muito propensos à corrosão (degradação), porque a ferrugem (óxidos de ferro) é porosa, deixando a superfície facilmente exposta à continuada ação do ar e da água. OXIDAÇÃO - REDUÇÃO REAÇÃO REDOX Reação em que ocorre transferência de electrões A oxidação e redução são processos químicos complementares, que envolvem a perde de electrões por um dos reagentes (oxidação) e o correspondente ganho de electrões por outro reagente (redução), decorrendo em simultâneo e de tal forma, que o número de electrões libertados na oxidação é igual ao número de electrões necessários na redução. Exemplo de uma reação redox: A redução ocorre quando o estado de oxidação de um átomo ou ião diminui OXIDANTE REDUTOR Cu 2+ Zn Cu2+ (aq) + 2e- Zn (s) Cu (s) Zn2+ (aq) + 2e- Cu Zn2+ REDUTOR OXIDANTE A oxidação ocorre quando o estado de oxidação de um átomo ou ião aumenta A Química e o Desporto 33 2013/2014 OXIDAÇÃO INDESEJÁVEL CORROSÃO DE COMPONENTES METÁLICOS Processos químicos ou eletroquímicos que envolvem a deterioração e degradação dos componentes metálicos Na natureza, a maioria dos metais são sempre encontrados na forma de óxidos, sulfuretos e hidróxidos. Óxido de Cobre Hidróxido de Ferro(II) Sulfureto de sódio A maioria dos metais tende a combinar-se com o oxigénio do ar, produzindo os respectivos óxidos. Este fenómeno de corrosão para alguns desses metais dá-se de forma lenta, à temperatura ambiente. No entanto, existem outros metais, como o alumínio, por exemplo, onde a corrosão é rápida, consequente da formação de uma camada de óxido na superfície do alumínio que protege o metal do oxigénio e impede, assim, a continuação do processo de corrosão. A corrosão dá-se sobretudo pelo contacto dos metais com o ar húmido, com ácidos, bases, sais, iões cloreto e outras substâncias sólidas e líquidas. Os metais podem ainda sofrer corrosão quando expostos a materiais gasosos como vapores ácidos, formaldeído gasoso, gás amoníaco e gases sulfurosos. A Química e o Desporto 34 2013/2014 OXIDAÇÃO ÚTIL PILHAS E BATERIAS Dispositivos que convertem energia química em energia elétrica PILHAS Os únicos elementos necessários para originar o “fluido elétrico”, atualmente designado por corrente elétrica, e que são os mesmos elementos que constituem uma célula (pilha) galvânica ou célula (pilha) voltaica, são: Dois metais diferentes Eletrólito Substância que, dissociada ou ionizada, origina iões positivos e iões negativos, pela adição de um solvente ou aquecimento. A representação atual da célula voltaica é constituída por dois compartimentos separados, as semi - células, contendo, cada uma, um elétrodo e uma solução de eletrólito. Elétrodo de zinco mergulhado numa solução de sulfato de zinco, com iões Zn2+ Os dois elétrodos ligam-se através de um fio condutor, onde se pode intercalar o voltímetro Elétrodo de cobre mergulhado numa solução de sulfato de cobre (II), com iões Cu2+ Representação da célula voltaica designada por PILHA DE DANIELL A Química e o Desporto 35 2013/2014 Quando se fecha o circuito, os eletrões deslocam-se, através do fio condutor, do ânodo para o cátodo, e ocorrem as duas semirreações, uma em cada um dos elétrodos: ÂNODO (polo -) Elétrodo (de Zn) onde se realiza sempre a oxidação Elétrodo (de Cu) onde se realiza sempre a redução CÁTODO (polo +) Semiequação de oxidação Semiequação de redução Equação global da reação Para que uma célula voltaica funcione, a solução, nas duas semicélulas, deve manter-se eletricamente neutra. A eletroneutralidade dos eletrólitos é assegurada pela PONTE SALINA Tubo fino que contém um gel de ágar-ágar saturado com um sal, vulgarmente KNO3,NaCl ou KCl. Os iões negativos do sal migram para a semicélula de zinco Os iões positivos do sal migram para a semicélula de cobre Existem outros tipos de células construídas sem ponte salina mas com uma MEMBRANA POROSA, que permite a passagem de iões. BATERIAS A associação em série de duas ou mais células é designada por bateria. A Química e o Desporto 36 2013/2014 PILHAS NO QUOTIDIANO CONCENTRAÇÃO PRIMÁRIAS Células que uma vez descarregadas não podem ser recarregadas SECUNDÁRIAS Pilhas que podem ser recarregadas se forem ligadas a uma corrente elétrica COMBUSTÍVEL Células que necessitam de um electrólito que transporte as partículas carregadas eletricamente de um elétrodo para o outro, e um catalisador, que aumente a velocidade das reações nos elétrodos. PILHAS DO FUTURO PROTEÇÃO DE METAIS Um dos processos de proteção dos metais contra a corrosão é a introdução na liga de um elemento capaz de aumentar essa resistência. As ligas resistentes à corrosão são usadas quando as condições potencialmente corrosivas proíbem o uso de ligas de aço e a utilização de revestimentos protetores é insuficiente ou economicamente inviável. Quando o ambiente se torna potencialmente agressivo, usam-se as ligas à base de níquel, titânio e de molibdénio que utilizam de uma forma mais genérica nas refinarias, nos processos industriais, na indústria aeroespacial e militar. PROTEÇÃO CATÓDICA Para que haja uma proteção catódica, o metal terá de estar protegido por um excesso de eletrões de forma a ficar reduzido, evitando assim a oxidação na sua superfície. PROTEÇÃO DE SUPERFÍCIE GALVANOPLASTIA ANODIZAÇÃO Técnica que tem como finalidade o revestimento de peças metálicas ou não metálicas. Baseia-se na realização de uma eletrólise em meio sulfúrico, onde ocorre a conversão superficial do alumínio num filme anódico de óxido de alumínio, protetor do metal. A Química e o Desporto 37 2013/2014 Ânodo de sacrifício Obtenção de uma proteção catódica por ligação de um metal a outro mais oxidável. A proteção catódica por ânodos de sacrifício é uma técnica utilizada para proteger uma substância de um ataque químico (corrosão). Esta proteção baseia-se no facto de existir um metal que possui potencial de corrosão mais baixo e, como tal, ser corroído durante a reação. Este tipo de proteção externa usa-se muito quando o meio é a água do mar e os materiais preferenciais para o ânodo são o zinco e o magnésio. Por corrente protetora Aplicação de uma corrente elétrica no ânodo, de forma a conduzir a superfície da estrutura a um estado elétrico tal que se torna catódico em relação aos outros materiais. Materiais mais vulgares para o ânodo deste tipo de proteção interna: óxidos metálicos, metais preciosos aço inoxidável com elevado teor em silício Proteção catódica por corrente protetora numa tubagem subterrânea Tanto o ânodo da proteção catódica (fonte da corrente) como a estrutura a proteger devem estar soterrados ou imersos num eletrólito eletricamente homogéneo, de forma a completar o circuito: do ânodo através do eletrólito até ao cátodo (estrutura) e voltando, através da estrutura, até ao ânodo. A Química e o Desporto 38 2013/2014 ELETRÓLISE electro do grego… lýsis decomposição pela eletricidade UMA REAÇÃO QUÍMICA FORÇADA Reação química mediante a qual há decomposição de um composto diluído ou fundido por meio de um campo elétrico (corrente contínua). ENERGIA ELÉTRICA pilha eletrólise ENERGIA QUÍMICA ELETRÓLISE DA ÁGUA Um dos exemplos mais correntes de eletrólise é a reação de decomposição da água. A água pura não conduz corrente elétrica uma vez que as concentrações de iões H+ (aq) e HO- (aq) são muito baixas (1,0 x10-7 mol/dm3, a 25ºC). No entanto, na presença de um electrólito, por exemplo, um ácido, a água pode ser decomposta. Qualquer que seja o eletrótilo, há várias hipóteses de oxidação anódica e de redução catódica. Em qualquer das situações prevalecerá: Ânodo - oxidação 2 H2O (l) Cátodo - redução 2 H+ (aq) + 2 e- Equação global 2 H2O (l) a redução do oxidante mais forte a oxidação do redutor mais forte 4 H+ (aq) + 4 e- + O2 (g) H2 (g) 2 H2 (g) + O2 (g) Fonte de energia Elétrodos Célula eletrolítica Eletrólito A Química e o Desporto 39 2013/2014 CÉLULA VOLTAICA = CÉLULA ELETRÓLITICA APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DA ELETRÓLISE NIQUELAGEM E ZINCAGEM Processos industriais de revestimentos de uma peça passível de corrosão que dão uma boa resistência aos ataques químicos. A camada aplicada (revestimento) não apresenta porosidades, o que favorece a ausência de corrosão. ANODIZAÇÃO DO ALUMÍNIO Processo eletroquímico que transforma a superfície do alumínio em óxido de alumínio. A camada anódica não resulta de uma deposição dos produtos que constituem o revestimento mas sim da transformação do próprio metal no seu óxido. A Química e o Desporto 40
