Metalele - Obtinerea si proprietatile acestora
Proprietatile caracteristice ale metalelor, ca de exemplu conductibilitatea electrica si conductibilitatea termica, sunt explicate prin natura structurala si electronica a metalelor.
In cristalele metalelor, asezarea atomilor se face dupa principiul unei structuri cat mai compacte. De aceea metalele cristalizeaza in unul din cele trei tipuri de retele cristaline: cubica compacta, hexagonala compacta si cubica centrata intern.
In metalele compacte, atomii sunt legati intre ei prin electronii de valenta care insa nu mai apartin fiecarui atom in parte, ci tuturor atomilor invecinati, fiind repartizati pe benzi de energie.
Proprietatile metalelor
Metalele prezinta proprietati diferite de cele ale nemetalelor. Toate proprietatile caracteristice metalelor sunt valabile pentru metalele in stare solida si lichida. In stare gazoasa metalele nu se mai deosebesc de nemetale.
Proprietati fizice
Metalele au luciu caracteristic, numit luciu metalic, datorita puterii lor de reflexie a luminii. Metalele sunt opace, chiar in strat subtire, deoarece undele luminoase lovind electronii mobili din metal
sunt amortizate si nu sunt transmise mai departe.
1) Culoarea metalelor este variata. Cele mai multe metale in stare compacta sunt albe, intelegand prin alb, albul metalic; astfel, plumbul, argintul sunt considerate metale albe. Cateva metale sunt insa colorate: cuprul este galben-rosiatic, aurul—galben, cesiul—galbui etc. Cand sunt in pulbere fina, aproape toate metalele au culoare cenusie-neagra.
In tehnica, metalele sunt clasificate in: metale negre sau feroase, prin care se intelege fierul (impreuna cu fontele si otelurile), si metalele colorate, adica neferoase.
2) Densitatea metalelor variaza in limite largi; de exemplu, litiul are densitatea 0,53 sau potasiul are densitatea 0,86, pe cand platina are densitatea 21,45, iar osmiul, cel mai greu metal, are densitatea22,5. Se obisnuieste sa se considere metalele cu densitatea mai mica decat 5, metale usoare, iar cele cu densitatea peste 5, metale grele. Astfel, potasiul, sodiul, calciul, magneziul, aluminiul sunt considerate metale usore, pe cand zincul, staniul, fierul, cuprul sunt metale grele.
3) Punctul de topire variaza forte mult de la metal la metal. Mercurul, singurul metal lichid, are punctul de topire –39°C; potasiul si sodiul se topesc la temperaturi sub 100°C (potasiul la 63,5°C, decat 1000°C; de exemplu, cuprul se topeste la 1083°C, fierul la sodiul la 97,8°C). Sunt, insa, metale al caror punct de topire este mai inalt 1536°C, wolframul la 3410°C. In general, metalele cu volum atomic mic se topesc la temperaturi ridicate, pe cand metalele cu volum atomic mare se topesc la temperaturi scazute, deoarece reteaua lor cristalina se distruge mai usor. Diferenta intre punctele de topire a metalelor este folosita pentru separarea metalelor intre ele, la fabricarea aliajelor si la prelucrarea metalelor.
4) Conductibilitatea electrica specifica, adica conductivitatea, γ, a metalelor este mare. Cand nu este sub influenta unui camp electric exterior, in metalul compact nu se manifesta un transport de sarcini, sesizabil; electronii din orbitalii moleculari ocupati ai benzii se misca fara o directie privilegiata. Ca urmare, electronii din orbitali ocupati nu participa la transportul curentului electric.
La aplicarea unei diferente de potential, electronii din orbitalii moleculari ocupati capatand un surplus de energie sunt promovati in orbitali moleculari vecini, neocupati, din banda de energie partial ocupata si preiau transportul de curent.
Se intelege ca metalele alcaline, la care banda de valenta este umpluta pe jumatate, au conductibilitatea electrica mai buna decat metalele alcalino-pamantoase, la care banda de valenta este complet ocupata. Buna conductibilitate electrica manifesta si metalele din grupa I B, adica Cu, Ag, Au, explicata prin volumele lor atomice, care sunt mici.
Conductibilitatea electrica a metalelor este influentata de oscilatiile atomilor in jurul pozitiilor fixe din reteaua cristalina, de neregularitatile retelei cristaline, cum si de prezenta unor atomi straini continuti ca impuritati in retea.
Deoarece prin cresterea temperaturii, oscilatiile atomilor se intensifica, undele stationare ale electronilor se formeaza mai greu, deci conductibilitatea electrica a metalului scade. La racire, fenomenul este invers: oscilatiile atomilor in jurul pozitiilor lor din reteaua cristalina slabesc, undele stationare ale electronilor se formeaza mai usor, deci conductibilitatea electrica a metalului creste. Aproape de zero absolut (-273°C), metalele isi pierd complet rezistenta electrica si devin conductori "ideali". Acest fenomen se numeste supraconductibilitate.
5) Rezistenta electrica specifica sau rezistivitatea, adica rezistenta pe care o opune curentului electric o portiune din metal cu o sectiune de 1 cm2 si o lungime de 1 cm, se exprima in Ω·cm. La 20°C, rezistenta electrica specifica a argintului este1,62·106 Ω·cm, a cuprului 1,72·106 Ω·cm, a aluminiului 2,82·106 Ω·cm, a plumbului 20,63·106 Ω·cm ,a mercurului 95,9·106 Ω·cm etc.
Continutul de substante straine intr-un metal mareste rezistenta lor electrica, deoarece atomii substantelor straine intra in reteaua cristalina a metalului si impiedica astfel formarea undelor stationare ale electronilor. De aceea, pentru rezistente electrice se folosesc aliaje si nu metale pure. Astfel, pe cand rezistenta electrica specifica a nichelului este 7·106 Ω·cm si a cromului este 15,8·106 Ω·cm, un aliaj cu 20% nichel si 80% crom are rezistenta electrica specifica 110·106 Ω·cm.
Cu cat un metal are rezistenta electrica specifica mai mica, cu atat conduce mai bine curentul electric. Cea mai mare conductibilitate electrica o au argintul (0,98 Ω-1·cm-1), cuprul (0,593 Ω-1·cm-1), aurul (0,42 Ω-1·cm-1) si aluminiul (0,38 Ω-1·cm-1) si cea mai mica o au plumbul (0,046 Ω-1·cm-1) si mercurul (0,011 Ω-1·cm-1). Asa se explica de ce conductoarele electrice (sarmele) se fac din cupru sau aluminiu.
6) Conductibilitatea termica specifica, adica conductivitatea termica, se datoreaza de asemenea miscarilor electronilor in banda de valenta. Ea se masoara prin cantitatea de caldura care se propaga timp de o secunda printr-un centimetru cub din metalul respectiv si se exprima in J·cm-1·s-1·grd-1.
Dintre metale, cea mai mare conductivitate termica au argintul (4,1 J·cm-1·s-1·grd-1), cuprul (3,9 J·cm-1·s-1·grd-1), aurul (3 J·cm-1·s-1·grd-1) si aluminiul (2,1 J·cm-1·s-1·grd-1); cea mai slaba conductivitate termica au plumbul (0,13 J·cm-1·s-1·grd-1) si mercurul (0,08 J·cm-1·s-1·grd-1).
Conductibilitatea termica a metalelor are mare importanta in tehnica. Astfel, instalatiile la care se cere o incalzire si racire rapida, cum sunt cazanele de abur, schimbatoarele de caldura, caloriferele, radiatoarele automobilelor, se fabrica din metale cu buna conductibilitate termica.
Proprietati mecanice
Datorita starii metalice, metalele se caracterizeaza prin proprietati de plasticitate, maleabilitate, ductilitate, tenacitate etc., care au deosebita importanta practica.
1) Plasticitatea este proprietatea metalelor (si aliajelor) de a se deforma permanent cand sunt supuse unei tensiuni exercitate din exterior. Deformarea plastica nu dispare cu cauza care a produs-o.
Se considera ca deformarile plastice produse la metale in stare compacta cauzeaza o translatie in reteaua cristalina de-a lungul unor planuri reticulare. Trebuie observat ca si in retelele ionice, fortele de legatura nu sunt dirijate. In cursul translatiei, insa, simetria repartizarii sarcinilor este puternic perturbata, iar fortele de respingere rezultate sunt atat de puternice incat pot conduce la scindarea cristalului.
Plasticitatea influenteaza maleabilitatea si ductilitatea.
2) Maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras in foi prin comprimare la o temperatura inferioara punctului de topire. Sub actiunea fortelor exterioare, cristalele metalelor se deformeaza dupa anumite planuri de reticulare.
Maleabilitate depinde de structura cristalina a metalelor; ea se manifesta cel mai intens la metalele care cristalizeaza in retele cubice cu fete centrate. Ea depinde de asemenea de temperatura, si anume creste pana la o anumita temperatura, dupa care scade si metalele devin casante. Cresterea maleabilitatii cu temperatura se datoreaza slabirii coeziunii dintre cristale, iar scaderea ei este cauzata de formarea unor pelicule de oxid intre cristale.
Exista si alti factori care influenteaza maleabilitatea cristalelor.
3) Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras in fire; ea depinde de plasticitate si de maleabilitate.
4) Tenacitatea este proprietatea unui metal de a cuprinde o energie mare de deformare plastica. Metalele care au tenacitate mare sunt rezistente, pe cand cele cu tenacitate mica sunt casante.
Proprietati chimice
Metalele au caracter electropozitiv, deoarece atomii lor au tendinta sa cedeze electronii din straturile electronice exterioare si astfel trec in ioni cu sarcina pozitiva. Prin faptul ca cedeaza electroni, metalele sunt reducatori.
Prin asezarea metalelor dupa ordinea crescanda a potentialelor de oxidare standard, se obtine seria potentialelor electrochimice sau seria tensiunilor metalelor.
Li Cs K Ba Ca Na Mg Al Zn Pb Cr Fe Cd Ni Sn Pb H Cu Hg Pt Au
In cristalele metalelor, asezarea atomilor se face dupa principiul unei structuri cat mai compacte. De aceea metalele cristalizeaza in unul din cele trei tipuri de retele cristaline: cubica compacta, hexagonala compacta si cubica centrata intern.
In metalele compacte, atomii sunt legati intre ei prin electronii de valenta care insa nu mai apartin fiecarui atom in parte, ci tuturor atomilor invecinati, fiind repartizati pe benzi de energie.
Proprietatile metalelor
Metalele prezinta proprietati diferite de cele ale nemetalelor. Toate proprietatile caracteristice metalelor sunt valabile pentru metalele in stare solida si lichida. In stare gazoasa metalele nu se mai deosebesc de nemetale.
Proprietati fizice
Metalele au luciu caracteristic, numit luciu metalic, datorita puterii lor de reflexie a luminii. Metalele sunt opace, chiar in strat subtire, deoarece undele luminoase lovind electronii mobili din metal
sunt amortizate si nu sunt transmise mai departe.
1) Culoarea metalelor este variata. Cele mai multe metale in stare compacta sunt albe, intelegand prin alb, albul metalic; astfel, plumbul, argintul sunt considerate metale albe. Cateva metale sunt insa colorate: cuprul este galben-rosiatic, aurul—galben, cesiul—galbui etc. Cand sunt in pulbere fina, aproape toate metalele au culoare cenusie-neagra.
In tehnica, metalele sunt clasificate in: metale negre sau feroase, prin care se intelege fierul (impreuna cu fontele si otelurile), si metalele colorate, adica neferoase.
2) Densitatea metalelor variaza in limite largi; de exemplu, litiul are densitatea 0,53 sau potasiul are densitatea 0,86, pe cand platina are densitatea 21,45, iar osmiul, cel mai greu metal, are densitatea22,5. Se obisnuieste sa se considere metalele cu densitatea mai mica decat 5, metale usoare, iar cele cu densitatea peste 5, metale grele. Astfel, potasiul, sodiul, calciul, magneziul, aluminiul sunt considerate metale usore, pe cand zincul, staniul, fierul, cuprul sunt metale grele.
3) Punctul de topire variaza forte mult de la metal la metal. Mercurul, singurul metal lichid, are punctul de topire –39°C; potasiul si sodiul se topesc la temperaturi sub 100°C (potasiul la 63,5°C, decat 1000°C; de exemplu, cuprul se topeste la 1083°C, fierul la sodiul la 97,8°C). Sunt, insa, metale al caror punct de topire este mai inalt 1536°C, wolframul la 3410°C. In general, metalele cu volum atomic mic se topesc la temperaturi ridicate, pe cand metalele cu volum atomic mare se topesc la temperaturi scazute, deoarece reteaua lor cristalina se distruge mai usor. Diferenta intre punctele de topire a metalelor este folosita pentru separarea metalelor intre ele, la fabricarea aliajelor si la prelucrarea metalelor.
4) Conductibilitatea electrica specifica, adica conductivitatea, γ, a metalelor este mare. Cand nu este sub influenta unui camp electric exterior, in metalul compact nu se manifesta un transport de sarcini, sesizabil; electronii din orbitalii moleculari ocupati ai benzii se misca fara o directie privilegiata. Ca urmare, electronii din orbitali ocupati nu participa la transportul curentului electric.
La aplicarea unei diferente de potential, electronii din orbitalii moleculari ocupati capatand un surplus de energie sunt promovati in orbitali moleculari vecini, neocupati, din banda de energie partial ocupata si preiau transportul de curent.
Se intelege ca metalele alcaline, la care banda de valenta este umpluta pe jumatate, au conductibilitatea electrica mai buna decat metalele alcalino-pamantoase, la care banda de valenta este complet ocupata. Buna conductibilitate electrica manifesta si metalele din grupa I B, adica Cu, Ag, Au, explicata prin volumele lor atomice, care sunt mici.
Conductibilitatea electrica a metalelor este influentata de oscilatiile atomilor in jurul pozitiilor fixe din reteaua cristalina, de neregularitatile retelei cristaline, cum si de prezenta unor atomi straini continuti ca impuritati in retea.
Deoarece prin cresterea temperaturii, oscilatiile atomilor se intensifica, undele stationare ale electronilor se formeaza mai greu, deci conductibilitatea electrica a metalului scade. La racire, fenomenul este invers: oscilatiile atomilor in jurul pozitiilor lor din reteaua cristalina slabesc, undele stationare ale electronilor se formeaza mai usor, deci conductibilitatea electrica a metalului creste. Aproape de zero absolut (-273°C), metalele isi pierd complet rezistenta electrica si devin conductori "ideali". Acest fenomen se numeste supraconductibilitate.
5) Rezistenta electrica specifica sau rezistivitatea, adica rezistenta pe care o opune curentului electric o portiune din metal cu o sectiune de 1 cm2 si o lungime de 1 cm, se exprima in Ω·cm. La 20°C, rezistenta electrica specifica a argintului este1,62·106 Ω·cm, a cuprului 1,72·106 Ω·cm, a aluminiului 2,82·106 Ω·cm, a plumbului 20,63·106 Ω·cm ,a mercurului 95,9·106 Ω·cm etc.
Continutul de substante straine intr-un metal mareste rezistenta lor electrica, deoarece atomii substantelor straine intra in reteaua cristalina a metalului si impiedica astfel formarea undelor stationare ale electronilor. De aceea, pentru rezistente electrice se folosesc aliaje si nu metale pure. Astfel, pe cand rezistenta electrica specifica a nichelului este 7·106 Ω·cm si a cromului este 15,8·106 Ω·cm, un aliaj cu 20% nichel si 80% crom are rezistenta electrica specifica 110·106 Ω·cm.
Cu cat un metal are rezistenta electrica specifica mai mica, cu atat conduce mai bine curentul electric. Cea mai mare conductibilitate electrica o au argintul (0,98 Ω-1·cm-1), cuprul (0,593 Ω-1·cm-1), aurul (0,42 Ω-1·cm-1) si aluminiul (0,38 Ω-1·cm-1) si cea mai mica o au plumbul (0,046 Ω-1·cm-1) si mercurul (0,011 Ω-1·cm-1). Asa se explica de ce conductoarele electrice (sarmele) se fac din cupru sau aluminiu.
6) Conductibilitatea termica specifica, adica conductivitatea termica, se datoreaza de asemenea miscarilor electronilor in banda de valenta. Ea se masoara prin cantitatea de caldura care se propaga timp de o secunda printr-un centimetru cub din metalul respectiv si se exprima in J·cm-1·s-1·grd-1.
Dintre metale, cea mai mare conductivitate termica au argintul (4,1 J·cm-1·s-1·grd-1), cuprul (3,9 J·cm-1·s-1·grd-1), aurul (3 J·cm-1·s-1·grd-1) si aluminiul (2,1 J·cm-1·s-1·grd-1); cea mai slaba conductivitate termica au plumbul (0,13 J·cm-1·s-1·grd-1) si mercurul (0,08 J·cm-1·s-1·grd-1).
Conductibilitatea termica a metalelor are mare importanta in tehnica. Astfel, instalatiile la care se cere o incalzire si racire rapida, cum sunt cazanele de abur, schimbatoarele de caldura, caloriferele, radiatoarele automobilelor, se fabrica din metale cu buna conductibilitate termica.
Proprietati mecanice
Datorita starii metalice, metalele se caracterizeaza prin proprietati de plasticitate, maleabilitate, ductilitate, tenacitate etc., care au deosebita importanta practica.
1) Plasticitatea este proprietatea metalelor (si aliajelor) de a se deforma permanent cand sunt supuse unei tensiuni exercitate din exterior. Deformarea plastica nu dispare cu cauza care a produs-o.
Se considera ca deformarile plastice produse la metale in stare compacta cauzeaza o translatie in reteaua cristalina de-a lungul unor planuri reticulare. Trebuie observat ca si in retelele ionice, fortele de legatura nu sunt dirijate. In cursul translatiei, insa, simetria repartizarii sarcinilor este puternic perturbata, iar fortele de respingere rezultate sunt atat de puternice incat pot conduce la scindarea cristalului.
Plasticitatea influenteaza maleabilitatea si ductilitatea.
2) Maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras in foi prin comprimare la o temperatura inferioara punctului de topire. Sub actiunea fortelor exterioare, cristalele metalelor se deformeaza dupa anumite planuri de reticulare.
Maleabilitate depinde de structura cristalina a metalelor; ea se manifesta cel mai intens la metalele care cristalizeaza in retele cubice cu fete centrate. Ea depinde de asemenea de temperatura, si anume creste pana la o anumita temperatura, dupa care scade si metalele devin casante. Cresterea maleabilitatii cu temperatura se datoreaza slabirii coeziunii dintre cristale, iar scaderea ei este cauzata de formarea unor pelicule de oxid intre cristale.
Exista si alti factori care influenteaza maleabilitatea cristalelor.
3) Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras in fire; ea depinde de plasticitate si de maleabilitate.
4) Tenacitatea este proprietatea unui metal de a cuprinde o energie mare de deformare plastica. Metalele care au tenacitate mare sunt rezistente, pe cand cele cu tenacitate mica sunt casante.
Proprietati chimice
Metalele au caracter electropozitiv, deoarece atomii lor au tendinta sa cedeze electronii din straturile electronice exterioare si astfel trec in ioni cu sarcina pozitiva. Prin faptul ca cedeaza electroni, metalele sunt reducatori.
Prin asezarea metalelor dupa ordinea crescanda a potentialelor de oxidare standard, se obtine seria potentialelor electrochimice sau seria tensiunilor metalelor.
Li Cs K Ba Ca Na Mg Al Zn Pb Cr Fe Cd Ni Sn Pb H Cu Hg Pt Au
SURSA 02
Obtinerea metalelor
In natura, metalele se gasesc in pamant, insa numai putine in stare libera, adica in stare nativa. Acestea sunt metalele cele mai putin active: aurul, platina, argintul si mercurul. Toate celelalte metale se gasesc in stare combinata, sub forma de oxizi, sulfuri, sulfati, carbonati, cloruri, silicati etc. Combinatiile metalelor existente in natura mai mult sau mai putin pura se numesc minerale.
Dintre oxizi, mai importanti sunt: Fe2O3—hematitul; Fe3O4— magnetitul; 2Fe2O3·3H2O—limonitul; Al2O3·2H2O—bauxita; SnO2—casiteritul; MnO2—piroluzit; FeO·Cr2O3cromitul.
Dintre sulfuri, mai importanti sunt: PbS—galena; ZnS—blenda; FeS2—pirita; CuS·FeS—calcopirita; FeAsS—mispichelul; HgS—cinabrul; Ag2S—argentitul; Sb2S3—stibina.
Dintre carbonati, mai importanti sunt: FeCO3—sideroza; CuCO3·Cu(OH)2—malahitul; MgCO3—magnezitul; BaCO3—witeritul.
Cand mineralele contin o cantitate suficient de mare de metale (sau nemetale), incat extragerea lor sa fie convenabila din punct de vedere tehnico-economic, ele se numesc minereuri. De exemplu, minereul de fier trebuie sa contina cel putin 30% Fe, fie in oxizi, fie in carbonati; minereul de cupru trebuie sa contina cel putin 2% Cu, in sulfuri sau oxizi.
Uneori minereurile contin mai multe metale a caror extractie este convenabila. Asemenea minereuri se numesc polimetalice (de exemplu minereul de fier si vanadiu sau minereul de argint si plumb). Exista si minereuri care, pe langa metalul principal, contin si nemetale, de obicei sub forma de combinatii a caror extractie prezinta interes industrial. Asemenea minereuri se numesc minereuri complexe (de exemplu minereul de fier cu fosfor).
Procedeele de obtinere a unui metal din minereu constituie metalurgia metalului respectiv. Ea cuprinde operatiile de imbogatire a minereului, de exemplu a metalelor din minereu, cum si de purificare a metalelor obtinute in stare bruta (rafinare).
Extragerea metalelor din minereuri
Extragerea unui metal dintr-un minereu se face diferit dupa natura chimica a combinatiei metalice. Cand minereul este format din carbonati, el se supune in prealabil unei calcinari pentru indepartarea dioxidului de carbon; metalele raman astfel sub forma de oxizi, care sunt tratati mai departe ca si minereurile de oxizi. Minereurile sulfuroase, in general, sunt supuse unei prajiri prealabile pentru indepartarea sulfului (sub forma de dioxid de sulf) si transformarea sulfurii in oxid.
In principiu, procedeele de obtinere a metalelor se incadreaza in trei metode:
1) reducerea pe cale chimica;
2) electroliza;
3) disocierea termica a unor combinatii.
Reducerea pe cale chimica.
Aceasta metoda are multiple aplicatii:
Reducerea oxizilor. Oxizii se reduc cu atat mai usor cu cat caldurile lor de formare sunt mai mici. Drept agenti reducatori se folosesc carbonul, hidrogenul si unele metale.
Carbonul (sub forma de cocs, mai rar mangal) este unul din cei mai buni reducatori folositi in metalurgie. In forma generala, ecuatia pentru reducerea unui oxid de metal divalent cu carbon este:
2MO+C?2M+CO2
Carbonul fiind solid, contactul lui cu particulele de minereu nu este prea strans. In schimb, produsul oxidarii sale, oxidul de carbon, un gaz, este agentul reducator in majoritatea cazurilor.
Hidrogenul este un reducator foarte activ, folosit mai ales in laborator, de exemplu pentru reducerea oxidului de fier:
Fe3O4+4H2?3Fe+4H2O
Metoda este intrebuintata uneori si in tehnica pentru obtinerea unor anumite metale, de exemplu wolframul. Prin aceasta metoda metalul se obtine in forma fin divizata ca pulbere, cand este foarte reactiv.
Metalele se folosesc ca agenti de reducere in cazul cand reducerea cu carbune a oxizilor conduce la formare de carburi. Cel mai mult este folosit aluminiul sub forma de pulbere, ca agent reducator al oxizilor de metale care se topesc la temperaturi foarte ridicate, cum sunt Fe, V, Cr, Mn, W. Reactia dintre oxidul de metal si aluminiul este puternic exoterma:
Fe2O3+2Al?Al2O3+2Fe+Q astfel incat temperatura se ridica la circa 2400°C. Metalul se topeste si se separa de stratul de oxid de aluminiu rezultat din reactie.
In locul aluminului se foloseste uneori calciul sau magneziul. De exemplu:
MoO3+3Ca?Mo+3CaO.
Reducerea sulfurilor. Obtinerea metalelor prin reducerea sulfurilor se face prin diferite metode.
Prajirea sulfurilor, desi este o operatie premergatoare reducerii oxizilor, ca in cazul sulfurii de cupru:
2CuS+3O2?2CuO+2SO2 poate conduce uneori direct la metal, de exemplu in cazul sulfurii de mercur:
HgS+O2?Hg+SO2.
Fierul este folosit la reducerea unor sulfuri, ca de exemplu sulfura de cupru, de arsen sau de mercur:
CuS+Fe?FeS+Cu
Pe aceasta reactie se bazeaza procedeul cementarii pentru obtinerea cuprului din solutii diluate in care se gaseste acest metal.
Reducerea halogenurilor din metale. Pentru reducerea halogenurilor de metale se folosesc de cele mai multe ori calciul, sodiul sau potasiul. Halogenurile metalelor grele pot fi reduse prin incalzire in curent de hidrogen.
Procedeul Kroll consta in trecerea clorurii metalului peste magneziu topit, intr-o atmosfera de gaz rar (heliu sau argon). Dupa acest procedeu se pot obtine Ti, Zr, Hf, Ta:
TiCl4+2Mg?Ti+MgCl2.
Electroliza solutiilor apoase si a topiturilor. Unele metale se obtin usor din combinatiile lor prin metode electrolitice de reducere. Electroliza se efectueaza in solutii sau in topituri.
1) Electroliza solutiilor apoase. Metalele care nu descompun apa se pot separa din solutii apoase pe cale electrolitica. Aceste metale sunt asezate dupa hidrogen in seria potentialelor de oxidare; Dintre metalele asezate inaintea hidrogenului, numai cele cu supratensiuni mari (Pb, Ni, Cd, Zn) se pot obtine prin electroliza in solutie. Mercurul, avand o supratensiune foarte mare, este folosit drept catod la electroliza solutiilor solutiilor unor saruri de metale care descompun apa, ca de exemplu metalele alcaline, cu care formeaza amalgame.
Separarea pe cale de electroliza a metalelor din solutii apoase este folosita in tehnica mai ales pentru purificarea metalelor.
2) Electroliza electrolitilor topiti. Metalele puternic electropozitive se obtin de obicei in tehnica productiei prin electroliza electrolitilor topiti. In modul acesta se fabrica aluminiul, sodiul, potasiul, calciul si, in parte, magneziul.
Topiturile oxizilor sau halogenurilor metalelor respective contin adaosuri care le scad punctul de topire si le maresc conductibilitatea fara sa fie descompuse electrolitic in conditiile respective ale electrolizei. Asemenea substante se numesc fondanti. Astfel, aluminiul se obtine industrial prin electroliza, cu electrozi de carbune, a oxidului de aluminiu, dizolvat in criolit, un fluaroaluminat de sodiu, Na3aAlF6i, topit. Temperatura topiturii este de circa 1000°C.
Sodiul se obtine industrial prin electroliza unui amestec de NaCl si CaCl2 (CaCl2 se topeste la 600°C pe cand NaCl se topeste la 801°C).
Disocierea termica a unor combinatii. Disocierea termica a unor combinatii poate deveni o metoda de obtinere a unor elemente daca la racire aceste elemente nu se recombina. De multe ori, aceasta metoda conduce la obtinere de elemente cu puritate inalta.
1) Disocierea termica a oxizilor. Pentru ca disocierea termica a oxizilor sa devina o metoda de obtinere a metalelor, trebuie ca temperatura de disociere sa fie cat mai scazuta, respectiv caldura de formare a oxizilor sa fie cat mai mica. Un exemplu il reprezinta disocierea termica a oxidului de mercur (II):
2HgO?2Hg+O2.
2) Disocierea termica a halogenurilor. Halogenurile metalelor nobile cand sunt incalzite disociaza usor in componente. Un exemplu il reprezinta tetraclorura de platina:
PtCl4?Pt+2Cl2. Clorul fiind un gaz, se indeparteaza si ramane platina in stare pura.
3) Procedeul van Arkel si de Boer permite obtinerea unor metale in stare foarte pura si compacta. El se bazeaza pe faptul ca iodurile volatile ale catorva metale disociaza termic in vid la temperaturi inferioare punctului de topire a metalului. Astfel, daca in vaporii de iodura respectiva se introduce o sarma de wolfram incalzita la o temperatura de disociere a iodurii si punctul de topire a metalului, metalul se depune pe sarma incalzita formand monocristale, pe cand iodul difuzeaza in spatiul inconjurator. Filamentul extrem de subtire de wolfram din interiorul baghetei de metal formate nu reprezinta practic o impuritate.
Metoda se aplica la obtinerea metalelor Ti, Zr, Hf, Th.
Clasificarea procedeelor de obtinere a metalelor
Dupa conditiile in care au loc, procedeele metalurgice pentru obtinerea metalelor se impart in trei grupe principale: pirometalurgie, hidrometalurgie si electrometalurgie.
Procedeele pirometalurgice se caracterizeaza prin faptul ca folosesc temperaturi inalte. Astfel, prajirea si calcinarea sunt procedee pirometalurgice.
Procedeele hidrometalurgice cuprind toate procedeele in care metalele se obtin prin prelucrarea minereurilor cu solutii apoase de reactivi chimici. De exemplu, cuprul se poate extrage si din minereuri mai sarace de 2% Cu, prin metode hidrometalurgice, cum este tratarea cu acid sulfuric; metalul trece in solutie, de unde este apoi separat.
Procedeele electrochimice folosesc curentul electric. Ele se impart la randul lor in doua categorii: procedee electrotermice, cand curentul electric folosit serveste drept sursa de caldura, si procedee electrochimice, cand curentul electric are actiune electrolitica asupra solutiei sau topiturii.
In natura, metalele se gasesc in pamant, insa numai putine in stare libera, adica in stare nativa. Acestea sunt metalele cele mai putin active: aurul, platina, argintul si mercurul. Toate celelalte metale se gasesc in stare combinata, sub forma de oxizi, sulfuri, sulfati, carbonati, cloruri, silicati etc. Combinatiile metalelor existente in natura mai mult sau mai putin pura se numesc minerale.
Dintre oxizi, mai importanti sunt: Fe2O3—hematitul; Fe3O4— magnetitul; 2Fe2O3·3H2O—limonitul; Al2O3·2H2O—bauxita; SnO2—casiteritul; MnO2—piroluzit; FeO·Cr2O3cromitul.
Dintre sulfuri, mai importanti sunt: PbS—galena; ZnS—blenda; FeS2—pirita; CuS·FeS—calcopirita; FeAsS—mispichelul; HgS—cinabrul; Ag2S—argentitul; Sb2S3—stibina.
Dintre carbonati, mai importanti sunt: FeCO3—sideroza; CuCO3·Cu(OH)2—malahitul; MgCO3—magnezitul; BaCO3—witeritul.
Cand mineralele contin o cantitate suficient de mare de metale (sau nemetale), incat extragerea lor sa fie convenabila din punct de vedere tehnico-economic, ele se numesc minereuri. De exemplu, minereul de fier trebuie sa contina cel putin 30% Fe, fie in oxizi, fie in carbonati; minereul de cupru trebuie sa contina cel putin 2% Cu, in sulfuri sau oxizi.
Uneori minereurile contin mai multe metale a caror extractie este convenabila. Asemenea minereuri se numesc polimetalice (de exemplu minereul de fier si vanadiu sau minereul de argint si plumb). Exista si minereuri care, pe langa metalul principal, contin si nemetale, de obicei sub forma de combinatii a caror extractie prezinta interes industrial. Asemenea minereuri se numesc minereuri complexe (de exemplu minereul de fier cu fosfor).
Procedeele de obtinere a unui metal din minereu constituie metalurgia metalului respectiv. Ea cuprinde operatiile de imbogatire a minereului, de exemplu a metalelor din minereu, cum si de purificare a metalelor obtinute in stare bruta (rafinare).
Extragerea metalelor din minereuri
Extragerea unui metal dintr-un minereu se face diferit dupa natura chimica a combinatiei metalice. Cand minereul este format din carbonati, el se supune in prealabil unei calcinari pentru indepartarea dioxidului de carbon; metalele raman astfel sub forma de oxizi, care sunt tratati mai departe ca si minereurile de oxizi. Minereurile sulfuroase, in general, sunt supuse unei prajiri prealabile pentru indepartarea sulfului (sub forma de dioxid de sulf) si transformarea sulfurii in oxid.
In principiu, procedeele de obtinere a metalelor se incadreaza in trei metode:
1) reducerea pe cale chimica;
2) electroliza;
3) disocierea termica a unor combinatii.
Reducerea pe cale chimica.
Aceasta metoda are multiple aplicatii:
Reducerea oxizilor. Oxizii se reduc cu atat mai usor cu cat caldurile lor de formare sunt mai mici. Drept agenti reducatori se folosesc carbonul, hidrogenul si unele metale.
Carbonul (sub forma de cocs, mai rar mangal) este unul din cei mai buni reducatori folositi in metalurgie. In forma generala, ecuatia pentru reducerea unui oxid de metal divalent cu carbon este:
2MO+C?2M+CO2
Carbonul fiind solid, contactul lui cu particulele de minereu nu este prea strans. In schimb, produsul oxidarii sale, oxidul de carbon, un gaz, este agentul reducator in majoritatea cazurilor.
Hidrogenul este un reducator foarte activ, folosit mai ales in laborator, de exemplu pentru reducerea oxidului de fier:
Fe3O4+4H2?3Fe+4H2O
Metoda este intrebuintata uneori si in tehnica pentru obtinerea unor anumite metale, de exemplu wolframul. Prin aceasta metoda metalul se obtine in forma fin divizata ca pulbere, cand este foarte reactiv.
Metalele se folosesc ca agenti de reducere in cazul cand reducerea cu carbune a oxizilor conduce la formare de carburi. Cel mai mult este folosit aluminiul sub forma de pulbere, ca agent reducator al oxizilor de metale care se topesc la temperaturi foarte ridicate, cum sunt Fe, V, Cr, Mn, W. Reactia dintre oxidul de metal si aluminiul este puternic exoterma:
Fe2O3+2Al?Al2O3+2Fe+Q astfel incat temperatura se ridica la circa 2400°C. Metalul se topeste si se separa de stratul de oxid de aluminiu rezultat din reactie.
In locul aluminului se foloseste uneori calciul sau magneziul. De exemplu:
MoO3+3Ca?Mo+3CaO.
Reducerea sulfurilor. Obtinerea metalelor prin reducerea sulfurilor se face prin diferite metode.
Prajirea sulfurilor, desi este o operatie premergatoare reducerii oxizilor, ca in cazul sulfurii de cupru:
2CuS+3O2?2CuO+2SO2 poate conduce uneori direct la metal, de exemplu in cazul sulfurii de mercur:
HgS+O2?Hg+SO2.
Fierul este folosit la reducerea unor sulfuri, ca de exemplu sulfura de cupru, de arsen sau de mercur:
CuS+Fe?FeS+Cu
Pe aceasta reactie se bazeaza procedeul cementarii pentru obtinerea cuprului din solutii diluate in care se gaseste acest metal.
Reducerea halogenurilor din metale. Pentru reducerea halogenurilor de metale se folosesc de cele mai multe ori calciul, sodiul sau potasiul. Halogenurile metalelor grele pot fi reduse prin incalzire in curent de hidrogen.
Procedeul Kroll consta in trecerea clorurii metalului peste magneziu topit, intr-o atmosfera de gaz rar (heliu sau argon). Dupa acest procedeu se pot obtine Ti, Zr, Hf, Ta:
TiCl4+2Mg?Ti+MgCl2.
Electroliza solutiilor apoase si a topiturilor. Unele metale se obtin usor din combinatiile lor prin metode electrolitice de reducere. Electroliza se efectueaza in solutii sau in topituri.
1) Electroliza solutiilor apoase. Metalele care nu descompun apa se pot separa din solutii apoase pe cale electrolitica. Aceste metale sunt asezate dupa hidrogen in seria potentialelor de oxidare; Dintre metalele asezate inaintea hidrogenului, numai cele cu supratensiuni mari (Pb, Ni, Cd, Zn) se pot obtine prin electroliza in solutie. Mercurul, avand o supratensiune foarte mare, este folosit drept catod la electroliza solutiilor solutiilor unor saruri de metale care descompun apa, ca de exemplu metalele alcaline, cu care formeaza amalgame.
Separarea pe cale de electroliza a metalelor din solutii apoase este folosita in tehnica mai ales pentru purificarea metalelor.
2) Electroliza electrolitilor topiti. Metalele puternic electropozitive se obtin de obicei in tehnica productiei prin electroliza electrolitilor topiti. In modul acesta se fabrica aluminiul, sodiul, potasiul, calciul si, in parte, magneziul.
Topiturile oxizilor sau halogenurilor metalelor respective contin adaosuri care le scad punctul de topire si le maresc conductibilitatea fara sa fie descompuse electrolitic in conditiile respective ale electrolizei. Asemenea substante se numesc fondanti. Astfel, aluminiul se obtine industrial prin electroliza, cu electrozi de carbune, a oxidului de aluminiu, dizolvat in criolit, un fluaroaluminat de sodiu, Na3aAlF6i, topit. Temperatura topiturii este de circa 1000°C.
Sodiul se obtine industrial prin electroliza unui amestec de NaCl si CaCl2 (CaCl2 se topeste la 600°C pe cand NaCl se topeste la 801°C).
Disocierea termica a unor combinatii. Disocierea termica a unor combinatii poate deveni o metoda de obtinere a unor elemente daca la racire aceste elemente nu se recombina. De multe ori, aceasta metoda conduce la obtinere de elemente cu puritate inalta.
1) Disocierea termica a oxizilor. Pentru ca disocierea termica a oxizilor sa devina o metoda de obtinere a metalelor, trebuie ca temperatura de disociere sa fie cat mai scazuta, respectiv caldura de formare a oxizilor sa fie cat mai mica. Un exemplu il reprezinta disocierea termica a oxidului de mercur (II):
2HgO?2Hg+O2.
2) Disocierea termica a halogenurilor. Halogenurile metalelor nobile cand sunt incalzite disociaza usor in componente. Un exemplu il reprezinta tetraclorura de platina:
PtCl4?Pt+2Cl2. Clorul fiind un gaz, se indeparteaza si ramane platina in stare pura.
3) Procedeul van Arkel si de Boer permite obtinerea unor metale in stare foarte pura si compacta. El se bazeaza pe faptul ca iodurile volatile ale catorva metale disociaza termic in vid la temperaturi inferioare punctului de topire a metalului. Astfel, daca in vaporii de iodura respectiva se introduce o sarma de wolfram incalzita la o temperatura de disociere a iodurii si punctul de topire a metalului, metalul se depune pe sarma incalzita formand monocristale, pe cand iodul difuzeaza in spatiul inconjurator. Filamentul extrem de subtire de wolfram din interiorul baghetei de metal formate nu reprezinta practic o impuritate.
Metoda se aplica la obtinerea metalelor Ti, Zr, Hf, Th.
Clasificarea procedeelor de obtinere a metalelor
Dupa conditiile in care au loc, procedeele metalurgice pentru obtinerea metalelor se impart in trei grupe principale: pirometalurgie, hidrometalurgie si electrometalurgie.
Procedeele pirometalurgice se caracterizeaza prin faptul ca folosesc temperaturi inalte. Astfel, prajirea si calcinarea sunt procedee pirometalurgice.
Procedeele hidrometalurgice cuprind toate procedeele in care metalele se obtin prin prelucrarea minereurilor cu solutii apoase de reactivi chimici. De exemplu, cuprul se poate extrage si din minereuri mai sarace de 2% Cu, prin metode hidrometalurgice, cum este tratarea cu acid sulfuric; metalul trece in solutie, de unde este apoi separat.
Procedeele electrochimice folosesc curentul electric. Ele se impart la randul lor in doua categorii: procedee electrotermice, cand curentul electric folosit serveste drept sursa de caldura, si procedee electrochimice, cand curentul electric are actiune electrolitica asupra solutiei sau topiturii.
SURSA 03
Metalele sunt elemente chimice cu proprietăţi fizice specifice, precum: luciu caracteristic, bun conducător de căldură şi electricitate, ductil şi maleabil, şi solid la temperatură obişnuită (cu excepţia mercurului).
In tabelul periodic al elementelor 80 % sunt metale, unde însă trebuie aminntit că trecerea de la categoria metale la nemetale nu se produce brusc ci treptat fiind o serie de elemente de tranziţie între cele două categorii numite semimetale.
Proprietatea metalelor de a fi buni conducători de electricitate se datorează structurii atomice a lor, având electroni liberi care la apariţia unei diferenţe de potenţial vor avea o mişcare dirijată.
Aliaje
Un aliaj este un amestec de 2 sau mai multe metale, dar poate include şi nemetale.
* Bronzul e un aliaj de cupru şi cositor.
* Alama - un aliaj de cupru şi zinc.
* Oţelul - un aliaj de fier şi carbon. Cromul şi nichelul sunt adăugate pentru a-i mări rezistenţa la oxidare.
* Superaliajele de nichel, cobalt şi alte elemente sunt folosite la navele spaţiale şi motoare.
Metale preţioase
Aurul, argintul şi platina se găsesc în stare pură iar frumuseţea, raritatea şi stabilitatea lor chimică le fac foarte valoroase.
Aurul nu îşi schimbă culoarea şi nu se corodează. Este cel mai ductil metal; el se poate lamina în foiţe de 0.1 microni. Din 1 g de aur se poate obţine o sârmă de 2 km. E un bun conductor electric. În prezent aurul se foloseşte ca etalon internaţional de valoare, monetărie, pentru confecţionarea bijuteriilor şi a obiectelor religioase, la plombe dentare, ecrane pentru radiaţii electromagnetie şi circuite electronice.
Argintul, cel mai răspândit metal preţios, are multe proprietăţi similare cu ale aurului, dar este mai uşor şi se oxidează mai repede.
Platina are un punct foarte înalt de topire şi nu se oxidează.
Titlul unui metal preţios
Titlul unui metal preţios indică continutul de metal preţios fin al unui aliaj, exprimat in miimi. Titlul se mai poate exprima în carate. Pentru metale, 1 carat înseamnă a 1/24-a parte. Aurul pur are 24 de carate; aur de 18 carate înseamnă 18 părţi aur şi şase părţi alte elemente, folosite de obicei pentru mărirea durităţii aliajului.
Marcarea
Marcarea aurului, argintului şi platinei este cea mai veche formă de protecţie a consumatorului. Marcarea metalelor preţioase şi a aliajelor acestora este operaţiunea de atestare a conţinutului de metal preţios fin prin aplicarea marcii de titlu, a mărcii de garanţie proprie a producatorului intern, a importatorului şi/sau a vanzatorului cu amănuntul ori, dupa caz, a marcii de certificare.
* Marca de garanţie proprie - semn individual înregistrat la Autoritatea Natională pentru Protecţia Consumatorilor, care se aplică pe bijuteriile şi obiectele din metale preţioase sau din aliajele acestora de către producătorul intern, importatorul sau vânzătorul cu amanuntul.
* Marca titlului - semnul convenţional, diferit în funcţie de titlul metalului preţios, care se aplică pe bijuteriile şi obiectele din metale preţioase şi aliajele acestora.
* Marca de certificare - semn convenţional care se aplică pe bijuterii şi pe obiectele din metale preţioase sau aliaje ale acestora de către Autoritatea Nationala pentru Protectia Consumatorilor, în cazul în care producătorul intern, importatorul şi/sau vânzătorul nu sunt autorizaţi sau nu doresc să îşi aplice marca de garanţie proprie, la cererea acestora.
Marca oficială garantează că piesa a fost testată şi de altcineva decât de producător şi se conformează standardelor de puritate.
sursa:ipedia.ro
0 comments: