metais e ligas-metalicas
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Vários tipos de metaisTRANSCRIPT
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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.
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Unidade I – Metais
10
Fig. 1.1
O elemento ferro portodo o lado: vias fér-reas, utensílios do-mésticos, ferrugem ecélulas vermelhas dosangue são só algunsexemplos.
1.1 METAIS E LIGAS METÁLICAS
1.1.1 A importância dos metais
Metais por todo o ladoA 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 osmetais», é aos instrumentos metálicos, como as trompas, trompetes e trombones, que ele serefere e não, certamente, à Tabela Periódica dos Elementos, onde cerca de 80% dos lugaressão 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 setrata. 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 pro-dutos alimentares com compostos de ferro em apreciável quantidade.
A palavra «metal» deriva de métallon (que significa mina, em grego) e assume, nosnossos dias, vários significados conforme o contexto em que é utilizada. No âmbito daQuímica, a palavra «ferro», por exemplo, pode referir-se ao material sólido com esse nomeutilizado em múltiplas aplicações – pontes e linhas de caminho de ferro (pois claro), com-boios 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).
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1.1 Metais e ligas metálicas
Como os iões ferro são átomos de ferro com deficiência de electrões, utilizam-se ossímbolos Fe2+ e Fe3+ para os seus iões, respectivamente com 2 e 3 electrões a menos emrelação 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 ele-mento ferro é Fe, já que a palavra em latim é ferrum . Por exemplo, para um estudante portu-guês 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 .
Suponha que, por um imaginário «passe de mágica», todo o ferro da localidade em quevive... simplesmente desaparecia (considere, para já, apenas o material sólido Fe(s) e não oelemento Fe; isto é, admita que continua a existir, com o seu coração a bombear o sangue ea respectiva hemoglobina que leva o oxigénio a todas as células). As cofragens das casas eos pré-esforçados dos pavimentos e telhados perderiam resistência e o resultado seriambrechas em toda a estrutura, que cedo acabaria por ruir. Os automóveis parariam quase irre-conhecíveis, transformados num amontoado de flácidos pneus, plásticos diversos e váriaspeças 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 1.1mostra algumas das principais utilizações de vários metais e seus iões.
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• Eurochem
Nome doelemento
Símboloquímico
Exemplo de aplicaçãoenquanto metal
Exemplo da relevância naforma de ião
Alumínio
Cobre
Crómio
Ferro
Ouro
Prata
Titânio
Al
Cu
Cr
Fe
Au
Ag
Ti
Portas e janelas,trens de cozinha, aviões
Tubagens, fios eléctricos
Revestimentos cromados, ferramentas
Edifícios, automóveis, navios, pontes
Joalharia, reserva monetária,revestimento de satélites
Joalharia, soldadura
Ferramentas, aviões
Sulfato de alumínio, Al2(SO4)3;tratamento de águas
Sulfato de cobre, CuSO4;fungicida
Óxido de crómio (VI), CrO3;tratamento de madeira
Óxido de ferro (III) hidratado,Fe2O3.xH2O; ferrugem
Complexos de ouro (I) com ácidotiomálico, tratamento da artrite
reumatóideBrometo de prata, AgBr;
fotografiaÓxido de titânio (IV), TiO2;
pigmento
Os efeitos não seriam muito diferentes dos que acima se descrevem se, por um rapi-díssimo «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 ime-diato do metal e desmoronamento, a consequência inevitável de todas as estruturasmóveis ou imóveis dependentes de ferro, já que a ferrugem não possui a consistência do
metal, além de que ocupa maior volume.
Tab. 1.1Relevância prática dealguns metais e seusiões.
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Unidade I – Metais
Bem sabemos que a oxidação do ferro é um processo real – e «corrosão» é a palavraque reflecte a carga (semântica) negativa deste fenómeno – mas, felizmente, relativamentelento, sobretudo se forem tomadas algumas medidas anti-corrosão. Sabe a quanto amon-tam os prejuízos da corrosão metálica em Portugal? As estimativas apontam para 4-6% doPIB (Produto Interno Bruto), ou seja, cerca de 3 mil milhões de euros!
Mas, para não se terminar estes primeiros parágrafos num registo negativo, é bomlembrar que, além de haver formas de contrariar a corrosão dos metais, também há oxida-ções úteis, como sucede com a obtenção de corrente eléctrica a partir de pilhas (Fig. 1.2). OCapítulo 1.2 abordará estes assuntos, na dupla perspectiva dos conceitos químicos e daprática laboratorial.
Fig. 1.2
A oxidação dos metaisestá na origem defenómenos indesejá-veis de corrosão (A)mas também é muitoútil na obtenção decorrente eléctrica apartir de pilhas (B).
Fig. 1.3
A maioria dos ele-mentos da TabelaPeriódica são metais.
A forma como os metais ocorrem na Terra e na história daHumanidade
A história da Humanidade está intimamente relacionada com o aparecimento denovos materiais e novas técnicas. Os metais desempenham um papel fundamental nesta
evolução histórica. Este facto não constitui admiração já que os metais constituem cerca de80% dos elementos químicos conhecidos (Fig. 1.3). No entanto, o seu uso é relativamenterecente, porque, na sua maior parte, os metais não se encontram livres na natureza mascombinados com outros elementos, em regra oxigénio ou enxofre, formando compostos deonde têm de ser extraídos.
1
H1,01
Hidrogénio
G
3
Li6,94
Lítio
S 4
Be9,01
Berílio
S
11
Na22,99Sódio
S 12
Mg24,31Magnésio
S
19
K39,10
Potássio
S 20
Ca40,08
Cálcio
S 21
Sc44,96
Escândio
S 22
Ti47,87
Titânio
S 23
V50,94
Vanádio
S 24
Cr51,99
Crómio
S 25
Mn54,94
Manganês
S 26
Fe55,85
Ferro
S 27
Co58,93
Cobalto
S 28
Ni58,69
Níquel
S 29
Cu63,55
Cobre
S 30
Zn65,39
Zinco
S 31
Ga69,72
Gálio
L 32
Ge72,61
Germânio
S 33
As74,92
Arsénio
S 34
Se78,96
Selénio
S 35
Br79,90
Bromo
L 36
Kr83,80
Crípton
G
49
In114,82
Índio
S 50
Sn118,71
Estanho
S 51
Sb121,75
Antimónio
S 52
Te127,60
Telúrio
S 53
I126,90
Iodo
S 54
Xe131,29
Xénon
G
81
Tl204,38
Tálio
S 82
Pb207,20
Chumbo
S 83
Bi208,98
Bismuto
S 84
Po(209)
Polónio
S 85
At(210)
Astato
S 86
Rn(222)
Rádon
G
13
Al26,98Alumínio
S 14
Si28,09Silício
S 15
P30,97Fósforo
S 16
S32,06Enxofre
S 17
Cl35,45Cloro
G 18
Ar39,95Árgon
G
5
B10,81
Boro
S 6
C12,01
Carbono
S 7
N14,01
Azoto
G 8
O16,00
Oxigénio
G 9
F18,99
Flúor
G 10
Ne20,18
Néon
G
2
He4,00
Hélio
G
37
Rb85,47
Rubídio
S 38
Sr87,62
Estrôncio
S 39
Y88,91
Ítrio
S 40
Zr91,22
Zircónio
S 41
Nb92,91
Nióbio
S 42
Mo95,94
Molibdénio
S 43
Tc(98)
Tecnécio
44
Ru101,07
Ruténio
S 45
Rh102,91
Ródio
S 46
Pd106,42
Paládio
S 47
Ag107,87
Prata
S 48
Cd112,41
Cádmio
S
55
Cs132,91
Césio
L 56
Ba137,33
Bário
S 72
Hf178,49
Háfnio
S 73
Ta180,95
Tântalo
S 74
W183,84
Tungsténio
S 75
Re186,21
Rénio
S 76
Os190,23
Ósmio
S 77
Ir192,22
Irídio
S 78
Pt195,08
Platina
S 79
Au196,97
Ouro
S 80
Hg200,59
Mercúrio
L
87
Fr(223)
Frâncio
L 88
Ra(226)
Rádio
S
58
Ce140,12
Cério
S 59
Pr140,91
Praseodímio
S 60
Nd144,24
Neodímio
S 61
Pm(145)
Promécio
62
Sm150,36
Samário
S 63
Eu151,96
Európio
S 64
Gd157,25
Gadolínio
S 65
Tb158,93
Térbio
S 66
Dy162,50
Disprósio
S 67
Ho164,93
Hólmio
S 68
Er167,26
Érbio
S 69
Tm168,93
Túlio
S 70
Yb173,04
Itérbio
S 71Lu
174,97Lutécio
S
90
Th232,04Tório
S 91
Pa231,04Protactínio
S 92
U 238,03Urânio
S 93
Np (237)Neptúnio
94
Pu (244)Plutónio
95
Am(243)Amerício
96
Cm(247)Cúrio
97
Bk (247)Berquélio
98
Cf (251)Califórnio
99
Es (252)Einstêinio
100
Fm (257)Férmio
101
Md (258)Mendelévio
102
No (259)Nobélio
103
Lr (262)Laurêncio
104
Rf(261)
Rutherfórdio
105
Db(262)
Dúbnio
106
Sg(263)
Seabórgio
107
Bh(264)
Bóhrio
108
Hs(265)
Hássio
109
Mt(268)
Meitnério
110
Ds(269)
111
Uuu(272)
112
Uub(277)
UnunúnioDarmstádio Unúmbio
114
Uuq(285)
Ununquádio
S 116
Uuh(289)
Ununhéxio
118
Uuo(293)
Ununóctio
57 *
La138,91
Lantânio
S
89 **
Ac(227)
Actínio
S
Metais
Semi-metais
Não-metais
A B
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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 ele-
mentos metálicos ou não metálicos. Trata-se, então, de verdadeiras soluções sólidas, obti-
das 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.
Tipo de liga Composição Aplicações
Aços
Aço inox
Amálgamas
Bronze
Constantan
Cuproníquel
Duralumínio
Latão
Nitinol
Ouro amarelo
Ouro branco
Solda
Ferro + carbono (0,2% - 2%)
Ferro + crómio (+ níquel)
Mercúrio + outro metal
Cobre + estanho
Cobre + níquel
Cobre + níquel
Alumínio + cobre
Cobre + zinco
Níquel + titânio
Ouro + prata + cobre
Ouro + zinco + cobre ou ouro +níquel + paládio
Chumbo + Estanho
Construção civil, indústria
metalomecânica, ferramentas
Peças de máquinas, tubagem,
utensílios, ferramentas
Deposição de metais em camada
delgada, medicina*
Peças para navios, parafusos,escultura, objectos decorativos
Termopares metálicos,resistências eléctricas
Tubagens, moedas
Aeronáutica, automóveisde competição.
Construções metálicas, utensílios
Medicina, segurança contra incêndios,
armação de óculos, joalharia
Joalharia, cunhagem de moeda
Joalharia
Soldadura
*Até há bem pouco tempo, usavam-se amálgamas de prata na obturação de dentes. Porém, a demonstração de que liber-
tavam mercúrio, altamente tóxico, viria a conduzir à sua substituição por compósitos cerâmicos.
Fig. 1.24
Imagem obtida por
microscopia de efeito
túnel de átomos de
ouro sobre um subs-tracto de grafite.
Tab. 1.4
Ligas metálicas: prin-
cipais componentes e
algumas aplicações.
Questão 1.9
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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 apli-
cações práticas. Por exemplo, uma liga de ferro e carbono, com cerca de 4% deste ele-
mento, 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 exem-
plo, 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 man-
ganês), 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 neces-
sárias, 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 joa-
lharia 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).
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 denomi-
nadas 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 fenó-meno é a ocorrência de uma mudança brusca da rede cristalina dos átomos quando o mate-
rial 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 proprieda-
des desejadas.
A Actividade Laboratorial AL 1.1 – Composição de uma liga metálica – propõe a aná-
lise da composição de ligas metálicas em moedas.
Fig. 1.25
As chaves de parafu-
sos têm frequente-
mente indicação da
presença de crómio e
vanádio.
ACTIVIDADE
LABORATORIAL
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Unidade I – Metais
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 metáli-
cos. As outras substâncias elementares não-metálicas sólidas dividem-se em duas catego-
rias, 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 cova-
lentes. 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 posi-
tivos 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 mos-
tra 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.
O arame que se «lembra» da sua forma
A prop ri ed ade de um ar ame da li ga
««Nitinol» adquire, por aquecimento, a
forma que lhe tenha sido conferida ante-
riormente (em frio, seguida de aqueci-
mento) deve-se à existência de duas fases
cristalinas: uma estável a temperaturas bai-
xas 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.
Fig. 1.26
Ligas metálicas usa-
das em cirurgia (cor-
tesia Admedes, Ale-
manha).