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.
Unidade I – Metais
Fig. 1.1
O elemento ferro por todo o lado: vias fér-reas, utensílios do-mésticos, ferrugem e células vermelhas do sangue são só alguns exemplos.
1.1
METAIS E LIGAS METÁLICAS
1.1.1
A importância dos metais
Metais por todo o lado
A 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 os metais», é aos instrumentos metálicos, como as trompas, trompetes e trombones, que ele se refere e não, certamente, à Tabela Periódica dos Elementos, onde cerca de 80% dos lugares são 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 se trata. 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, nos nossos dias, vários significados conforme o contexto em que é utilizada. No âmbito da Química, a palavra «ferro», por exemplo, pode referir-se ao material sólido com esse nome utilizado 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).
Como os iões ferro são átomos de ferro com deficiência de electrões, utilizam-se os símbolos Fe2+e Fe3+ para os seus iões, respectivamente com 2 e 3 electrões a menos em
relação 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 que vive... simplesmente desaparecia (considere, para já, apenas o material sólido Fe(s) e não o elemento Fe; isto é, admita que continua a existir, com o seu coração a bombear o sangue e a respectiva hemoglobina que leva o oxigénio a todas as células). As cofragens das casas e os pré-esforçados dos pavimentos e telhados perderiam resistência e o resultado seriam brechas em toda a estrutura, que cedo acabaria por ruir. Os automóveis parariam quase irre-conhecíveis, transformados num amontoado de flácidos pneus, plásticos diversos e várias peças 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. 1 mostra algumas das principais utilizações de vários metais e seus iões.
www.projectos.TE.pt/links
para saber mais sobre... • Eurochem Nome do elemento Símbolo químico Exemplo de aplicação enquanto metal Exemplo da relevância na forma 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 ácido
tiomálico, tratamento da artrite reumatóide
Brometo de prata, AgBr; fotografia Óxido 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 estruturas móveis ou imóveis dependentes de ferro, já que a ferrugem não possui a consistência do metal, além de que ocupa maior volume.
Tab. 1.1
Relevância prática de alguns metais e seus iões.
Unidade I – Metais
Bem sabemos que a oxidação do ferro é um processo real – e «corrosão» é a palavra que reflecte a carga (semântica) negativa deste fenómeno – mas, felizmente, relativamente lento, sobretudo se forem tomadas algumas medidas anti-corrosão. Sabe a quanto amon-tam os prejuízos da corrosão metálica em Portugal? As estimativas aponamon-tam para 4-6% do PIB (Produto Interno Bruto), ou seja, cerca de 3 mil milhões de euros!
Mas, para não se terminar estes primeiros parágrafos num registo negativo, é bom lembrar 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). O Capítulo 1.2 abordará estes assuntos, na dupla perspectiva dos conceitos químicos e da prática laboratorial.
Fig. 1.2
A oxidação dos metais está na origem de fenómenos indesejá-veis de corrosão (A) mas também é muito útil na obtenção de corrente eléctrica a partir de pilhas (B).
Fig. 1.3
A maioria dos ele-mentos da Tabela Periódica são metais.
A forma como os metais ocorrem na Terra e na história da
Humanidade
A história da Humanidade está intimamente relacionada com o aparecimento de novos materiais e novas técnicas. Os metais desempenham um papel fundamental nesta evolução histórica. Este facto não constitui admiração já que os metais constituem cerca de 80% dos elementos químicos conhecidos (Fig. 1.3). No entanto, o seu uso é relativamente recente, porque, na sua maior parte, os metais não se encontram livres na natureza mas combinados com outros elementos, em regra oxigénio ou enxofre, formando compostos de onde têm de ser extraídos.
1 H 1,01 Hidrogénio G 3 Li 6,94 Lítio S4 Be9,01 Berílio S 11 Na22,99 Sódio S12 Mg24,31 Magnésio S 19 K 39,10 Potássio S20 Ca40,08 Cálcio S21 Sc44,96 Escândio S22 Ti47,87 Titânio S23 V 50,94 Vanádio S24 Cr51,99 Crómio S25 Mn54,94 Manganês S26 Fe55,85 Ferro S27 Co58,93 Cobalto S28 Ni58,69 Níquel S29 Cu63,55 Cobre S30 Zn65,39 Zinco S31 Ga69,72 Gálio L32 Ge72,61 Germânio S33 As74,92 Arsénio S34 Se78,96 Selénio S35 Br79,90 Bromo L36 Kr83,80 Crípton G 49 In114,82 Índio S50 Sn118,71 Estanho S51 Sb121,75 Antimónio S52 Te127,60 Telúrio S53 I 126,90 Iodo S54 Xe131,29 Xénon G 81 Tl204,38 Tálio S82 Pb207,20 Chumbo S83 Bi208,98 Bismuto S84 Po(209) Polónio S85 At(210) Astato S86 Rn(222) Rádon G 13 Al26,98 Alumínio S14 Si28,09 Silício S15 P 30,97 Fósforo S16 S 32,06 Enxofre S17 Cl35,45 Cloro G18 Ar39,95 Árgon G 5 B 10,81 Boro S6 C 12,01 Carbono S7 N 14,01 Azoto G8 O 16,00 Oxigénio G9 F 18,99 Flúor G10 Ne20,18 Néon G 2 He4,00 Hélio G 37 Rb85,47 Rubídio S38 Sr87,62 Estrôncio S39 Y 88,91 Ítrio S40 Zr91,22 Zircónio S41 Nb92,91 Nióbio S42 Mo95,94 Molibdénio S43 Tc (98) Tecnécio 44 Ru101,07 Ruténio S45 Rh102,91 Ródio S46 Pd106,42 Paládio S47 Ag107,87 Prata S48 Cd112,41 Cádmio S 55 Cs132,91 Césio L56 Ba137,33 Bário S 72 Hf178,49 Háfnio S73 Ta180,95 Tântalo S74 W183,84 Tungsténio S75 Re186,21 Rénio S76 Os190,23 Ósmio S77 Ir192,22 Irídio S78 Pt195,08 Platina S79 Au196,97 Ouro S80 Hg200,59 Mercúrio L 87 Fr (223) Frâncio L88 Ra(226) Rádio S 58 Ce 140,12 Cério S59 Pr 140,91 Praseodímio S60 Nd 144,24 Neodímio S61 Pm (145) Promécio 62 Sm 150,36 Samário S63 Eu 151,96 Európio S64 Gd 157,25 Gadolínio S65 Tb 158,93 Térbio S66 Dy 162,50 Disprósio S67 Ho 164,93 Hólmio S68 Er 167,26 Érbio S69 Tm 168,93 Túlio S70 Yb 173,04 Itérbio S71 Lu 174,97 Lutécio S 90 Th 232,04 Tório S91 Pa 231,04 Protactínio S92 U 238,03 Urânio S93 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) Ununúnio Darmstádio 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
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, automóveis
de 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
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 proprieda-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
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 negaposi-tivos, 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 propriedade de um arame da liga ««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).
