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Metal usa-se para denominar aos elementos químicos caracterizados por ser bons condutores do calor e a electricidade, possuem alta densidade, e são sólidos em temperaturas normais (excepto o mercurio); seus sais formam iones electropositivos (cationes) em dissolução.
A ciência de materiais define um metal como um material no que existe uma sobreposição entre a banda de valencia e a banda de condução em sua estrutura electrónica (enlace metálico). Isto lhe dá a capacidade de conduzir facilmente calor e electricidade, e geralmente a capacidade de refletir a luz, o que lhe dá seu peculiar brilho. Em ausência de uma estrutura electrónica conhecida, usa-se o termo para descrever o comportamento daqueles materiais nos que, em certas faixas de pressão e temperatura, a conductividad eléctrica diminui ao elevar a temperatura, em contraste com os semiconductores.
O conceito de metal refere tanto a elementos puros, bem como ligas com características metálicas, como o aço e o bronze. Os metais compreendem a maior parte da tabela periódica dos elementos e separam-se dos não metais por uma linha diagonal entre o boro e o polonio. Em comparação com os não metais têm baixa electronegatividad e baixa energia de ionización , pelo que é mais fácil que os metais cedam elétrons e mais difícil que os ganhem.
Em astrofísica chama-se metal a todo o elemento mais pesado que o helio.
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História
Metais como o ouro, a prata e o cobre, foram utilizados desde a prehistoria. Ainda que ao princípio só se usavam se se encontravam facilmente em estado metálico puro (em forma de elementos nativos), paulatinamente se foi desenvolvendo a tecnologia necessária para obter novos metais a partir de seus minerales, aquecendo em um forno mediante carvão de madeira.
O primeiro grande avanço produziu-se com a descoberta do bronze, fruto da utilização de mineral de cobre com incursões de estaño , entre 3500 a. C. e 2000 a. C., em diferentes regiões do planeta, surgindo a denominada Idade de Bronze, que sucede à Idade de Pedra.
Outro facto importante na história foi a descoberta do ferro, para 1400 a. C. Os hititas foram um dos primeiros povos no utilizar para elaborar armas, tais como espadas, e as civilizações que ainda estavam na Idade de Bronze, como os egípcios ou os aqueos, pagaram caro seu atraso tecnológico.
Não obstante, na antigüedad não se sabia atingir a temperatura necessária para fundir o ferro, pelo que se obtinha um metal impuro que tinha de ser moldado a martillazos. Para o ano 1400 d. C. começaram-se a utilizar os fornos provistos de fuelle , que permitem atingir a temperatura de fusão do ferro, uns 1.535 °C.
Henry Bessemer descobriu um modo de produzir aço em grandes quantidades com um custo razoável. Depois de numerosas tentativas frustradas, deu com um novo desenho de forno (o conversor Thomas-Bessemer) e, a partir de então, melhorou a construção de estruturas em edifícios e pontes, passando o ferro a um segundo plano.
Pouco depois utilizou-se o alumínio e o magnésio, que permitiram desenvolver ligas bem mais ligeiras e resistentes, muito utilizadas em aviação, transporte terrestre e ferramentas portáteis. O titanio, que é o último dos metais abundantes e estáveis com os que se está a trabalhar, e se espera que, em pouco tempo, o uso da tecnologia do titanio se generalize.
Os elementos metálicos, bem como o resto de elementos, encontram-se ordenados em um sistema denominado tabela periódica. A maioria de elementos nesta tabela são os metais.
Os metais diferenciam-se do resto de elementos, fundamentalmente no tipo de enlace que constituem seus átomos. Trata-se de um enlace metálico e nele os elétrons formam uma nuvem que se move, rodeando todos os núcleos. Este tipo de enlace é o que lhes confere as propriedades de condução eléctrica, brilho, etc.
Há todo o tipo de metais: metais pesados, metais preciosos, metais ferrosos, metais não ferrosos, etc. e o mercado de metais é muito importante na economia mundial.
Definições de termos usados em fundições
- Liga: Uma liga é a mistura de duas ou mais elementos, sendo um deles o metal.
- Arrabio: Ferro líquido com menos impurezas que o ferro inicial.
- Escoria: As impurezas que reagem com caliza.
- Alto forno: Forno para fazer ligas e fundições, atingem-se temperaturas muito elevadas. Há que o construir com materiais refractarios, isto é muito resistentes ao calor.
Propriedades
Os metais possuem certas propriedades físicas características, entre elas são condutores da electricidade. A maioria deles são de cor grisáceo, mas alguns apresentam cores diferentes; o bismuto (Bi) é rosáceo, o cobre (Cu) rojizo e o ouro (Au) amarelo. Em outros metais aparece mais de uma cor; este fenómeno denomina-se policromismo.
Outras propriedades seriam:
- Maleabilidade: capacidade dos metais de fazer-se lâminas ao ser submetidos a esforços de compressão.
- Ductilidad: propriedade dos metais de moldar-se em arame e fios ao ser submetidos a esforços de tracção.
- Tenacidad: resistência que apresentam os metais a se romper ao receber forças bruscas (golpes, etc...)
- Resistência mecânica:capacidade para resistir esforço de tracção, entendimento, torque e flexão sem deformar-se nem romper-se.
Costumam ser opacos ou de brilho metálico, têm alta densidade, são dúctiles e maleáveis, têm um ponto de fusão alto, são duros, e são bons condutores (calor e electricidade).
Estas propriedades devem-se ao facto de que os elétrons exteriores estão unidos só ligeiramente aos átomos, formando uma espécie de mar (também conhecido como mar de Drude) que os banha a todos, que se conhece como enlace metálico (se veja semiconductor).
A ciência de materiais define um metal como um material no que existe um traslape entre a banda de valencia e a banda de condução em sua estrutura electrónica (enlace metálico). Isto lhe dá a capacidade de conduzir facilmente calor e electricidade, e geralmente a capacidade de refletir a luz, o qual lhe dá seu peculiar brilho.
Os metais têm certas propriedades físicas características: a excepção do mercurio são sólidos a condições ambientais normais, costumam ser opacos e brilhantes, ter alta densidade, ser dúctiles e maleáveis, ter um ponto de fusão alto, ser duros, e ser bons condutores do calor e electricidade. Estas propriedades devem-se ao facto de que os elétrons exteriores estão unidos só ligeiramente aos átomos, formando uma espécie de mar (também conhecido como mar de Drude), que se conhece como Enlace metálico.
Mediante a teoria do mar de Drude podemos explicar por que os metais são tão bons condutores do calor e a electricidade, é necessário compreender a natureza do enlace entre seus átomos.
Uma primeira tentativa para explicar o enlace metálico consistiu em considerar um modelo no qual os elétrons de valencia da cada metal se podiam mover livremente na rede cristalina (teoria de Drude-Lorentz); desta forma, o retículo metálico considera-se constituído por um conjunto de iones positivos (os núcleos rodeados por sua capa de elétrons) e elétrons (os de valencia), em lugar de estar formados por átomos neutros.
Em definitiva um elemento metálico considera-se que está constituído por cationes metálicos distribuídos regularmente e inmersos em um “mar de elétrons” de valencia deslocalizados, actuando como um aglutinante electrostática que mantém unidos aos cationes metálicos.
O modelo de mar de elétrons permite uma explicação cualitativa singela da conductividad eléctrica e térmica dos metais. Dado que os elétrons são móveis, pode-se transladar desde o eléctrodo negativo ao positivo quando o metal se submete ao efeito de um potencial eléctrico. Os elétrons móveis também podem conduzir o calor transportando a energia cinética de uma parte a outra do cristal. O carácter dúctil e maleável dos metais está permitido pelo facto de que o enlace deslocalizado se estende em todas as direcções; isto é, não está limitado a uma orientação determinada, como sucede no caso dos sólidos de redes covalentes.
Quando um cristal metálico se deforma, não se rompem enlaces localizados; em seu lugar, o mar de elétrons simplesmente adapta-se à nova distribuição dos cationes, sendo a energia da estrutura deformada similar à original. A energia necessária para deformar um metal como o Litio é relativamente baixa, sendo, como é lógico, muito maior a que se precisa para deformar um metal de transição, por que este último possui muitos mais elétrons de valencia que são o aglutinante electrostático dos cationes.
Mediante a teoria do mar de elétrons podem-se justificar de forma satisfatória muitas propriedades dos metais, mas não é adequada para explicar outros aspectos, como a descrição detalhada da variação da conductividad entre os elementos metálicos.
Os metais podem formar ligas entre si e se classificam em:
- Ultraligeros: Densidade em g/cm³ inferior a 2. Os mais comuns deste tipo são o magnésio e o berilio.
- Ligeiros: Densidade em g/cm³ inferior a 4,5. Os mais comuns deste tipo são o alumínio e o titanio.
- Pesados: Densidade em g/cm³ superior a 4,5. São a maioria dos metais.
Veja-se também a classificação dos metais na tabela periódica.
Obtenção
Alguns metais encontram-se em forma de elementos nativos, como o ouro, a prata e o cobre, ainda que não é o estado mais usual.
Muitos metais encontram-se em forma de óxidos. O oxigénio, ao estar presente a grandes quantidades na atmosfera, combina-se muito facilmente com os metais, que são elementos redutores, formando compostos como a bauxita (Ao2Ou3) e a limonita (Fé2Ou3).
Os sulfuros constituem o tipo de mena metálica mais frequente. Neste grupo destacam o sulfuro de cobre (I), Cu2S, o sulfuro de mercurio (II), HgS, o sulfuro de chumbo, PbS e o sulfuro de bismuto (III), Bi2S3.
Os metais alcalinos, além do berilio e o magnésio, costumam-se extrair a partir dos cloruros depositados devido à evaporación de mares e lagos, ainda que também se extrai da água do mar. O exemplo mais característico é o cloruro sódico ou sal comum, NaCl.
Alguns metais alcalino-térreos, o calcio, o estroncio e o bario, obtêm-se a partir dos carbonatos insolubles nos que estão insertos.
Por último, os lantánidos e actínidos costumam-se obter a partir dos fosfatos, que são uns sais nas que podem estar incluídos.
Usos na indústria
Metais que estão destinados a um uso especial, são o antimonio, o cadmio ou o litio.
Os pigmentos amarelos e anaranjados do cadmio são muito procurados por sua grande estabilidade, como protecção contra a corrosão, para as soldas e as ligas correspondentes e na fabricação de baterías de níquel e cadmio, consideradas excelentes pela segurança de seu funcionamento. Também se lhe utiliza como estabilizador nos materiais plásticos (PVC) e como liga para melhorar as características mecânicas do arame de cobre . Sua produção leva-se a cabo no momento da refinación de zinco, com o que está unido, se trata de um contaminante perigoso.
O litio, metal ligeiro, emprega-se principalmente na cerâmica e nos cristais, como catalizador de polimerización e como lubrificante, bem como para a obtenção do alumínio mediante electrólisis. Também se emprega para soldar, nas pilhas e nas baterías para relógios, em medicina (tratamento para os maníaco-depresivos) e em química.
O níquel, por causa de sua elevada resistência à corrosão, serve para niquelar os objectos metálicos, com o fim de protegê-los da oxidación e de dar-lhes um brilho inalterable na intemperie.
O denominado "ferro branco" é, em realidade, uma lamina de aço doce que recebe um banho de cloruro de zinco fundido, e à que se dá depois um revestimento especial de estaño .
Dilatación dos metais
Os metais são materiais que têm uma elevada dilatación, em parte devido a sua conductibilidad. As dilataciones são perceptibles às vezes ainda com as mudanças de temperatura ambiental. Medem-se linealmente e fixa-se a unidade de longitude para a variação de 1° C de temperatura. Maleabilidade. É a propriedade dos metais de poder ser modificados em sua forma e ainda ser reduzidos a lâminas de pouca espessura a temperatura ambiente, por pressão contínua, martelado ou esticado. Produzindo as modificações no metal, chega-se a um momento em que o limite de elasticidade é excedido, se tornando o metal duro e quebradizo; isto é, sofre deformações cristalinas que o fazem frágil. A maleabilidade pode ser recuperada mediante o recozido, que consiste em aquecer o metal a uma alta temperatura depois de laminado ou esticado, e o deixar arrefecer lentamente. A maleabilidade aprecia-se pela subtileza do laminado. Tomando o ouro como base, se costuma fazer a seguinte classificação:
1 Ouro. 6 Platino. 2 Prata. 7 Chumbo. 3 Cobre. 8 Zinco. 4 Alumínio. 9 Ferro. 5 Estaño. 10 Níquel.
Veja-se também
Enlaces externos
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