Metais
O progresso tecnológico esteve sempre associado, desde as primeiras forjas da idade do bronze, ao conhecimento dos metais e a sua utilização em ferramentas, construções, veículos e outros artefatos.
Metal é, genericamente toda substância mineral que se apresenta em estado sólido à temperatura ambiente — com a única exceção do mercúrio — e que se caracteriza por brilho característico, opacidade, dureza, ductibilidade (que permite que o material seja esticado em arames finos) e maleabilidade (que possibilita sua redução a lâminas delgadas). Incluem-se nessa definição tanto os metais propriamente ditos (ouro, prata, ferro, etc.), como algumas ligas (bronze e latão por exemplo). Outras propriedades físicas que caracterizam o metal são sua elevada densidade, boa fusibilidade e, principalmente, os altos coeficientes de condutividade térmica e elétrica.
Do ponto de vista químico, metal é todo elemento eletropositivo, ou seja, aquele cujos átomos formam íons positivos em solução. Os metais constituem cerca de 75% do sistema periódico dos elementos. Possuem, em seu nível mais externo, denominado nível de valência, no máximo três elétrons, excetuados o estanho e o chumbo (que possuem quatro elétrons) e o bismuto e o antimônio (cinco elétrons). O metal é profundamente afetado pela presença de quantidades relativamente pequenas de outros elementos. Exemplo disso é a liga denominada aço, cujas importantes características se devem à pequena quantidade de carbono (aproximadamente 0,5% desse elemento) adicionada ao ferro.
Apenas alguns metais, como o ouro, a prata, o cobre, a platina e o bismuto ocorrem na natureza em sua forma elementar. Quase sempre os metais são encontrados em forma de óxidos ou sulfetos, nos minerais que contêm quantidades variáveis de impureza (ganga), como argila, granito e sílica, de que os compostos metálicos devem ser separados. Aparecem ainda como cloretos, carbonatos, sulfatos, silicatos, etc. O principal problema é reduzi-los de seus compostos à forma elementar. Dificilmente os mesmos processos podem ser aplicados a todos os metais, em virtude das grandes diferenças físicas e químicas entre eles.
A escolha do procedimento adequado baseia-se nas propriedades químicas e termodinâmicas dos sistemas. Os métodos mais comuns de redução são: (1) O pirometalúrgico, que se subdivide em: (a) aquecimento de sulfetos ao ar
(ustulação), (b) aquecimento de misturas de óxidos e sulfetos, (c) redução com carbono e (d) redução com hidrogênio; (2) o eletrolítico; (3) o deslocamento metálico e (4) a decomposição dos haletos. Os metais mais abundantes na crosta terrestre, todos em combinação com outras substâncias, são o alumínio, o ferro, o cálcio, o sódio, o potássio e o magnésio.
Estrutura e ligações metálicas:
As propriedades físicas e químicas desse grupo de elementos devem-se à configuração eletrônica de seus átomos e ao tipo de ligação química que os une. O termo molécula não é adequado aos metais: é mais exato referir-se a redes cristalinas — disposição geométrica dos átomos que se repete regularmente no espaço e dá origem aos grãos que compõem a massa metálica.
Os átomos mantêm-se no interior da rede não só por implicações geométricas, mas também por apresentarem um tipo peculiar de ligação química, denominada ligação metálica. A união dos átomos que ocupam os “nós” de uma rede cristalina dá-se por meio dos elétrons de valência que compartilham (os situados em camadas eletrônicas não são completamente cheias). A disposição resultante é a de uma malha formada por íons positivos e uma nuvem eletrônica.
Cristalografia e granulometria:
Os metais apresentam grande diversidade de propriedades físicas e químicas, conforme a pressão, temperatura e outras variáveis. Além disso, um mesmo elemento pode apresentar diferentes tipos de mecanismos e estruturas de cristalização, o que também lhe altera as características.
Geralmente, os metais apresentam ordenação cristalina simples, com alto nível de aglutinação atômica ( o que implica alta densidade) e numerosos elementos de simetria. No que se refere às combinações, apresentam forte tendência a não formar compostos entre si, mas têm afinidade por elementos não metálicos como o oxigênio e o enxofre, com os quais formam respectivamente, óxidos e sulfetos.
O tamanho, forma e disposição das partículas metálicas, especificados pela granulometria, são fundamentais para o reconhecimento das propriedades físicas que determinam a plasticidade do material. Esses fatores podem ser alterados por tratamentos térmicos (aquecimento e resfriamento rápido) ou mecânicos, quando são estriados e forjados.
Oxidação:
A maioria dos metais tende a se oxidar quanto expostos ao ar, especialmente em ambientes úmidos. Entre os vários procedimentos empregados para evitar ou retardar a corrosão, os mais comuns são a aplicação de pinturas protetoras, a formação de ligas com outros elementos que reduzam ou eliminem tal propensão e a conexão a pólos elétricos que impeçam a ocorrência do fenômeno. É interessante o caso do alumínio, que, em presença do oxigênio, forma uma delgada película de óxido que detém a oxidação.
Aplicações:
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.
As indústrias automobilística, aeronáutica, naval, bélica e de construção civil são as principais responsáveis pelo consumo de metal em grande escala. São também representativos os setores de eletrônica e comunicações, cujo consumo de metal, apesar de quantitativamente inferior, tem importância capital para a economia contemporânea.
Não metais
Os não metais, também conhecidos como ametais, tem propriedades diametralmente opostas dos metais. Em geral, são maus condutores de calor e de eletricidade, não apresentam brilho metálico, não são maleáveis, ou seja, não podem ser reduzidos a lâminas delgadas e apresentam, via regra, muitos elétrons (mais de 4) na última camada.
São eles: carbono, nitrogênio, oxigênio, fósforo, enxofre e selênio.
Semimetais
Os semimetais também conhecidos como metalóides, entre os quais se incluem o boro, o silício, o germânio, o arsênio, o antimônio, o telúrio e o polônio, formam um grupo singular, cujo comportamento, metálico ou não, depende da temperatura e do estado elétrico e têm propriedades intermediárias entre os metais e os não-metais.
O mais utilizado é o silício que é empregado na fabricação de semicondutores.
Halogênios
O sal tem sido utilizado desde a antiguidade para conservar alimentos. A substância representa o derivado mais importante do grupo dos halogênios.
Os halogênios (do grego hal, “sal”, e gen, “produzir”), família dos elementos químicos não metálicos flúor, cloro, bromo, iodo e astato, compõem o grupo VIIa da tabela periódica. Esses elementos apresentam comportamento químico muito parecido e formam compostos com propriedades semelhantes. Todos produzem sais de sódio, entre os quais o cloreto de sódio, ou sal de cozinha, é o mais conhecido.
A capacidade de reação ou de combinação com outros elementos é tão grande nos halogênios que raramente são encontrados em estado livre na natureza. Aparecem sobretudo na forma de sais dissolvidos na água do mar, ou em extensos depósitos salinos originados em eras geológicas remotas pela evaporação de mares interiores. A única exceção é o astato, que se apresentam na forma de isótopos radioativos de vida efêmera, razão pela qual ocorre naturalmente.
Em condições ambientais normais, o flúor e o cloro ocorrem em estado gasoso; o iodo e o astato, em estado sólido; e o bromo, em estado líquido. Outras propriedades físicas, como ponto de fusão e ebulição, densidade e peso atômico, variam em ordem crescente do flúor para o iodo. O calor específico — quantidade de calor necessária para aquecer em 1º C um grama de substância — varia de forma inversa.
A característica química fundamental dos halogênios é seu poder como agente oxidante. Essa característica permite que o átomo do halogênio aceite mais um elétron em sua configuração, para atingir um arranjo eletrônico mais estável. No processo, o átomo adquire carga elétrica negativa e torna-se um íon. Os íons haleto, relativamente grandes e incolores, possuem alta estabilidade, especialmente no caso dos fluoretos e cloretos. A energia de ionização dos halogênios, energia necessária para remover um elétron do elemento, é máxima no flúor e mínima no iodo. O astato, devido à natureza radioativa, forma poucos compostos, que são instáveis.
Metalurgia
é a seqüência de processos que visa à obtenção de um
elemento metálico a partir de seu minério.
Alguns metais são
encontrados livres na natureza na forma de substância
simples, também chamada "forma nativa".
Esses metais são chamados de metais nobres e se encontram
isolados devido a sua baixa reatividade.
Metais como o
ferro, o estanho, o zinco e o manganês são obtidos através
de reações químicas onde ocorre a redução do
metal. O ferro, por exemplo, pode ser obtido a partir da
hematita:
Fe2O3
+ 3 CO ®
2 Fe + 3 CO2
a hematita
reage com o monóxido de carbono produzindo ferro metálico e
gás carbônico.
Esta é uma reação
de óxido-redução, onde o CO é o agente redutor (causou a
redução do ferro).
Metais muito
reativos, como o magnésio, alumínio e o sódio são obtidos
a partir dos minérios através de eletrólise. A eletrólise
é a decomposição do minério através da corrente elétrica.
Ferro
Possui pouca
utilidade quando puro, mas misturado com outros elementos, obtêm-se
ligas com propriedades extremamente úteis.
Liga é toda
substância metálica, resultante da união íntima entre dois
ou mais elementos, onde um pelo menos, é metal.
Dentre as ligas
que contêm ferro, a mais importante é o aço, formado por
ferro e carbono em proporções adequadas. A adição de
outros elementos proporciona a obtenção de aços especiais.
Um exemplo disso é o aço inoxidável (adição de níquel e
cromo).
O ferro em
presença do ar, oxida-se, resultando a ferrugem:
4Fe + 3 O2
® 2 Fe2O3
A reação é
catalisada pelo vapor-d’agua do ar.
Cobre
Metal bem menos
freqüente na natureza do que o ferro. É utilizado,
principalmente, na indústria de equipamentos elétricos, já
que é um ótimo condutor elétrico.
É usado também
na fabricação de ligas:
|
Liga
|
Composição
|
|
Latão
|
cobre
e zinco
|
|
Bronze
|
cobre
e estanho
|
|
"Cobre
para moedas"
|
cobre,
estanho e zinco
|
Quando exposto
ao ar úmido com gás carbônico o cobre lentamente se oxida,
ficando coberto com uma camada esverdeada chamada de zinabre,
cuja fórmula é:
CuCO3
· Cu(OH)2
Alumínio
Metal mais
abundante da crosta terrestre. Leve e muito resistente se
mostra ideal para uma série de aplicações, por exemplo:
-
revestimento
de aviões e navios
-
fabricação
de portões, janelas, etc.
-
fabricação
de rodas de automóvel
-
fabricação
de "latinhas" de refrigerante e embalagens em
geral
O alumínio não
sofre corrosão porque ao reagir com o oxigênio do ar
forma-se Al2O3, que adere ao alumínio,
formando uma película protetora.
Ouro
É o metal mais
maleável. Não é atacado por nenhum ácido. Pode ser
encontrado isolado na natureza, sob a forma de veios ou
pepitas. Pepitas são pequenos pedaços de ouro que se
encontram misturados com sedimentos acumulados em vales
fluviais. Veios são incrustações do metal presentes em
rochas.
O ouro puro não
pode ser utilizado na confecção de jóias, justamente por
ser muito maleável. Geralmente o que se faz é misturá-lo
com cobre e/ou prata, a fim de obter um material menos sujeito
a deformação.
O ouro puro é
denominado "ouro 24 quilates". "Ouro 18
quilates" significa que em cada 24 gramas do material, 18
gramas são de ouro, e o restante é cobre e/ou prata.
Prata
Além do uso em
joalheria é utilizada também para fabricar espelhos,
medalhas, e utensílios de mesa. É também utilizada na indústria
eletrônica e na de materiais fotográficos.
A chamada
"prata de lei" é uma liga de 92,5% de prata com
7,5% de cobre.
A prata
escurece com o tempo após reagir com substâncias que
contenham enxofre, devido a formação de uma camada
superficial de sulfeto de prata.
Mercúrio
É o único
metal líquido.
É utilizado na
fabricação de termômetros e barômetros, nas obturações
dentárias, fabricação de pilhas especiais, mineração de
ouro, etc..
Não é tóxico
quando sólido ou líquido, já os vapores e os compostos,
quando ingeridos, podem ser facilmente absorvidos pelo
organismo, sendo altamente venenosos.
Questões de
exemplo:
1) (Fuvest) As
esculturas de Rodin, recentemente expostas em São Paulo,
foram feitas em sua maioria em bronze e algumas em mármore.
Os principais componentes destes materiais são:
|
|
bronze
|
mármore
|
|
a)
|
Cu, Zn
|
CaO
|
|
b)
|
Fe, Sn
|
CaCO3
|
|
c)
|
Fe, Zn
|
CaO
|
|
d)
|
Cu, Sn
|
CaSO4
|
|
e)
|
Cu, Sn
|
CaCO3
|
2) (ITA) Qual
das opções abaixo contém a equação que representa a produção
de ferro num alto forno convencional alimentado com hematita e
coque?
a) FeS (
c) + H2(g) ®
Fe ( c) + H2S(g)
b) Fe2O3
( c) + 2Al ( c) ®
2Fe ( c) + Al2O3 ( c)
c) Fe3O4
( c) + 4H2 (g) ®
3Fe ( c) + 4H2O(g)
d) Fe2O3
( c) + 3CO(g) ®
2Fe ( c) + 3CO2(g)
e) 4FeS (
c) + 2CO(g) ®
4Fe( c) + 2CS2(g) + O2(g)
Gabarito:
1) E
2) D
Veja também : Experiências
Os Gases
Hibridação do Carbono
Química
