Tema 7:
Introducción a los Elementos metálicos y Metalurgia
Los metales en estado fundamental (estado de oxidación 0) están formando redes tridimensionales de estructura cristalina.
Redes Compactas: cada átomo está unido de tantos átomos como les sea posible, De tal forma que los índices de coordinación (nº de átomos que le Rodean) están entre 8 y 12.
Redes cristalinas más comunes en las cuales se encuentran los metales:
-Redes metálicas compactas: hexagonales o cúbicas.
Hexagonales: la repetición de capas de átomos es A, B, A (la primera y La tercera capa coinciden A B A B A B A…). La celda unidad de llama Romboedro.
Cúbicas: la repetición de las capas de átomos es A, B, C ( A B C A B C A B C A B C…). Da lugar a una celda unidad cuadrada ( los átomos están colocados en los vértices del cuadrado, en el centro De cada cara, y en el centro del cuadrado).
La mayoría de los elementos metálicos cristalizan de forma hexagonal. Algunos cristalizan incluso de las dos formas.
ENLACE METÁLICO
El Enlace metálico no tiene tantos electrones de Valencia para formar Enlaces como el enlace covalente. Entonces aparece la teoría de bandas (extensión amplia de la teoría de orbitales moleculares).
Teoría De bandas: formada por n orbitales atómicos lineales, que dan lugar a n Orbitales moleculares a una distancia muy pequeña formando bandas de Energía muy pequeñas. (participan muchos átomos muy juntos y por ello Las bandas de energía son muy bajas). En los metales la banda de energía Responsable del enlace está incompleta.
Banda de conducción (zona vacía de electrones)
Banda de Valencia (llena de electrones)
Propiedades de los metales:
* Todos son sólidos a 25ºC excepto el Mercurio.
* Todos presentan elevados puntos de fusión y sobre todo elevada Densidad. Que tengan altos puntos de fusión significa que tiene un Enlace relativamente fuerte, hay muchos átomos participando en el enlace Y por lo tanto cuesta romperlo. Su alta densidad se debe a la cantidad De átomos que hay participando en el enlace formando una red compacta Sin huecos vacíos.
* Son sustancias moldeables, maleables (láminas) y dúctiles (hilos). Esto significa que no forman un enlace Dirigido, si no que todos los átomos participan en la banda y los Electrones se adaptan para que suceda esto sin romperse.
* Si los cortamos tienen brillo (cuando el corte es reciente y no se a oxidado).
* Son buenos conductores de la electricidad ya que la diferencia entre la Banda de conducción y la banda de Valencia es muy pequeña y por lo Tanto hay una baja energía que permite a los electrones moverse por Toda la banda.
* Bajo ciertas condiciones pueden presentar fenómenos de emisión de electrones (por ejemplo el efecto fotoeléctrico).
* Son buenos conductores térmicos debido a la energía cinética de los electrones.
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Compuestos Aislantes
: hay mucha distancia entre la banda de Valencia y la de Conducción y por lo tanto una alta energía entre ellas. Entonces les Cuesta mucho saltar a los átomos de capa.
Compuestos Semiconductores:
la distancia entre las capas en este caso es menor Permitiendo que algunos electrones salten de capa superando la energía Entre bandas.
Compuestos conductores:
los electrones saltan Fácilmente porque apenas hay distancia entre las bandas y por lo tanto Hay muy poca energía.
Normalmente la conductividad aumenta si Aumenta la temperatura, pero en el caso de los metales, la conductividad Disminuye si aumenta la temperatura ( se debe a que los átomos empiezan A vibrar al aumentar la temperatura siendo mas difícil conducir la Electricidad).
Fenómeno dopar: modificar la capacidad de Conducíóm de un semiconductor, añadiendo otro compuesto (se añade muy Poca cantidad ya que afecta rápido).
Semiconductores N: Por ejemplo el caso del silicio y el arsénico, el arsénico tiene 5 Electrones y el silicio 4 electrones, por lo tanto se queda un electrón Libre que es el que hace la
conductividad eléctrica, si lo juntamos con otra placa con diferente Potencial, el electrón permitirá la conductividad. Se llama N porque Viene de un electro y la carga del electrón es negativa.
Semiconductores P: por ejemplo el boro y el silicio, el boro tiene 3 electrones y el Silicio 4 electrones de manera que forman 4 enlaces pero a uno de ellos Le va a faltar un electrón. Podemos verlo como que hay un hueco positivo (por lo que se llama P) al que van pasando electrones y por ello el Hueco nunca está en el mismo sitio. Así aparece la conductividad Eléctrica, debido al movimiento de carga.
Los metales en la naturaleza
Un mineral es un compuesto que existe en la corteza terrestre y que tiene Una composición química carácterística y que solo varía entre ciertos Límites. El compuesto químico que contiene el metal del mineral es la Mena y el resto son impurezas o ganga. El contenido de metal en la mena Es lo que se conoce como ley de mineral.
Los metales nobles son Los únicos que encontramos en la naturaleza como tal, ya que ningún otro Elemento en la naturaleza reacciona con ellos de forma natural.
Metalurgia extractiva
Forma de extraer un metal a partir de un mineral.
Consta de tres grandes etapas:
1.Preparación de la mena
* Trituración del mineral: lo trituramos mediante molinos giratorios de forma que lo dejemos lo más pequeño posible.
* Separación por gravedad: separar la mena de la ganga basándose en la Densidad. Las densidades de las menas suelen ser mayores que la de la Ganga. Para este método utilizamos un líquido que tenga una densidad Intermedia que no separe la mena de la ganga. Es un método bastante caro Debido a que el líquido que se necesita suele ser de densidades bajas y Es difícil de conseguir. Para abaratarlo se utiliza disoluciones de Magnetita y agua, pero se nos queda un poco de magnetita en la mena.
2.Producción del metal
* Tamizado del mineral: separamos por tamaños las partículas del triturado y las que no pasan se vuelven a triturar.
* La mayoría de las menas son óxidos, los que no lo sean se trasforman a óxidos ya que es más fácil separarlos por reducción. Los podemos oxidar Por tostación al aire y que reaccione con el oxígeno o sin que Reacciones con oxígeno.
* Hay dos tipos de vías de proceso de Reducción, si hay agua se llama vía húmeda o hidrometalurgia y si no lo Hay se llama vía seca o piro metalurgia.
* Reducción química: es La reducción de un metal a partir de otra sustancia química, los más Utilizados como reductores: sodio, magnesio y aluminio( los + Electropositivos).
TiCl4 + 5Ca 5CaO + 2V
* Reducción electrolítica: se aplica en metales muy electropositivos que Tienen potenciales de reducción muy negativos. Difícil reducción.
Cuando Una reacción no es favorable, la sometemos a una reducción Electrolítica. La hacemos favorable aplicando energía eléctrica para Transformándola en energía química. Se realizan en celdas que constan de Un ánodo y un cátodo en las que se introducen los minerales fundidos (en estado líquido). El mineral fundido ha de ser conductor para poder Llevar a cabo la electrolisis. En el caso de que no sea conductor se le Añade una sal inerte que en algunos casos a parte de aportar Conductividad, disminuye el punto de fusión.
3.Purificación del metal
* Enriquecimiento del mineral en mena, más concentración de mena eliminando la mayor ganga posible.
* Separación por flotación (muy utilizado): tenemos una piscina con agua Al que se le añaden colectores (polifosfatos, ditiofosfatos…) que Reaccionan con los átomos metálicos de la mena. Se insufla aire que se Llevará arrastrados a los colectores junto con las menas de forma que Quedan flotando. La ganga como no ha reaccionado con nada se extrae por Abajo.
* Separador magnético: lo alimentamos con los
Minerales (partículas pequeñas). Son minerales con carácterísticas
Magnéticas, contienen metales con propiedades magnéticas (ej:
Hierro
. Dentro del separador hay un cilindro que gira con un imán en el que se Pegan las partículas con propiedades magnéticas expulsándolas por un Orificio situado a la derecha, y el resto, el material no magnético sale Por la parte de abajo del cilindro. El proceso se repite varias veces Para eliminar toda la mena posible.
DIAGRAMA DE ELLINGHAM
Cuanto más negativa sea la energía libre de gibbs más difícil será reducir el óxido metálico a metal.
Lo Importante de este diagrama es que a simple vista sabemos si podemos Utilizar un elemento como reductor. Si la línea del compuesto reductor Está por debajo del compuesto a reducir, es termodinámicamente factible.
La pendiente de la línea es la ΔS cambiado de signo. El signo Lo podemos saber viendo la reacción y calculando la variación de moles Gaseosos.
EL carbono:
Se puede utilizar como reductor universal, ya que es termodinámicamente posible y es muy abundante.
La Recta de formación del oxido de carbono tiene pendiente negativa y por Ello será un reductor universal. Siempre va a haber una temperatura a la Que la formación de CO es más favorable energéticamente que la Formación del óxido metálico.
En el caso de la recta de la formación del CO2 tiene pendiente 0.
Cuando la ΔS es 0, sabremos la ΔH cuando la recta corte con la ordenada en el orgien.
Ebullición y sublimación : cambios de fase a estado gaseoso. Se producen cuando cambia bruscamente la pendiente de la recta.
En El caso de la plata, el cobre y el Mercurio, la formación del oxido a Partir de una temperatura «X» es termodinámicamente desfavorable y se Formarán dichos elementos.
Por ejemplo: si es posible obtener Mn a partir de la reducción de Na, hasta una temperatura de 200ºC.
Hay en ocasiones en las que el carbono no se puede usar como reductor:
-Cuando no queremos que el metal vaya acompañado de C (en un % muy pequeño).
-Cuando se tienen que utilizar temperaturas muy altas y el proceso es muy caro.
Cuando utilizamos aluminio como reductor se conoce como aluminotermia y cuando se utliza carbono como carbotecmia.
METALURGÍA DEL HIERRO
El hierro se obtiene por reducción del carbono a una temperatura entorno a los 1300ºC.7
Para Procesos que requieren una temperatura de trabajo mayor o igual a 1500ºC la reducción con carbono suele ser factible ya que esas Temperaturas se suelen alcanzar fácilmente con la energía que desprenden Las reacciones.
El hierro lo encontramos en la naturaleza en Forma de numeroso minerales como la pirita FeS2, la sirita FeCO3, Hematita Fe2O3, magnetita Fe3O4…
El proceso metalúrgico del hierro se lleva a cabo en un ALTO HORNO.
Se Trata de una reducción química de los minerales que contienen hierro a Partir con carbono de tipo coque (desecho del petróleo).
Los Altos hornos tienen una altura entre 35-40 metros, una capacidad de 1000 M3 , y una producción de 1500kg de hierro al día a partir de 5000 kg de Mineral.
Proceso:
1. Se llena del mineral mezclado de carbono
2. Añadimos coque por la parte de debajo del horno
3. Encendemos el alto horno por la parte de abajo con unas toberas. Aire Caliente entorno a unos 1000ºC. Ese aire caliente que lleva oxigeno Prende el carbono. Se desprenden gases como CO2 y van hacia la parte de Arriba haciendo que se produzcan las reacciones químicas.
El Hierro obtenido del alto horno contiene cierta cantidad de impurezas Conocidas como arrabio. Para que el hierro tenga alguna utilidad en la Industria hemos de disminuir el contenido de C (<1.7%).
Para purificar el hierro, hacemos la manufactura del hierro.
Producción del acero: el acero es hierro fundido con un contenido de carbono entre un
0.03-1.7 % (además de otros elementos). Las propiedades del acero van marcadas Por el contenido de otro elementos que tiene el hierro y por el Tratamiento térmico que se le dé.
Mientras que la producción de Hierro es un proceso de reducción química de los minerales que contienen Hierro oxidado, la producción de acero es un proceso de oxidación de Las impurezas que contienen el hierro fundido (utilizando aire como Oxidante).
* Acero al oxígeno: se funde hierro y se le insufla Aire por un tubo concéntrico el cual está rodeado de agua para Refrigerar. El oxígeno del aire oxida las impurezas del hierro, como por Ejemplo el carbono. Para eliminar los óxidos formados que no son Gaseosos como la sílice, tenemos que añadir formadores de escoria, que Es menos denso que el acero y se va acumulando abajo por donde es Expulsado.
* Método Bessemer: es igual que el método del acero al oxígeno pero el aire se insufla por abajo.
Podemos Tener carbono formando cementita o carbono en estado fundamental Dependiendo del enfriado del acero. Si el enfriado del acero es rápido Tendrá más contenido en cementita, mientras que si es lento tendrá Carbono. Esto se hace en función de las propiedades que queramos que Tenga el acero.
Cuando el acero se enfría de forma brusca contiene cementita formando un acero blanquecino, muy duro pero quebradizo.
Corrosión del hierro/acero
Muchos metales reaccionan con agentes oxidantes, como el oxígeno, dando lugar a fenómenos de corrosión o descomposición.
En El caso del hierro/acero: para que se oxide el acero hacen falta dos Compuestos químicos, el oxígeno y el agua. La oxidación empieza en la Parte de la superficie donde haya alguna imperfección porque en esas Imperfecciones es donde se quedan las gotitas de agua.
La Oxidación del acero es un proceso redox en el que el ánodo es el acero y El cátodo es el oxígeno que se reduce en presencia de agua.
El hierro se oxida más rápidamente en medio básico.
El oxido que se forma es poroso, quebradizo y va desgastando la pieza.
Para evitar la corrosión del hierro/acero :
-Lo pintamos.
-Hay dos tipos de protección de forma química:
1. Protección catódica: añadir un metal más electropositivo que el hierro, Para que se oxide él antes que el hierro. Se utilizan compuestos como El magnesio y el zinc. El hierro/acero galvanizado recubierto de zinc, Es muy difícil de oxidar y se utiliza para piezas pequeñas. Ejemplo: Colocar ladrillos alrededor de una tubería.
2. Protección Anódica : sólo se utiliza para piezas pequeñas, se trata de recubrir la Pieza entera de hierro con cobre o con estaño (hojalata) que tardan más En oxidarse.
-Hay metales como el aluminio que se oxida antes Que el hierro pero ese óxido que se forma crea una película que recubre La pieza, formando un óxido compacto y que se pega al aluminio, Protegíéndolo para que no se oxide. Este proceso se conoce como PASIVADO.
> Procesos posteriores de purificación para los metales obtenidos por reducción química o electrolítica.
o DESTILACIÓN: se destilas metales fáciles de pasar a forma gaseosa, con Bajos puntos de fusión y ebullición (Mercurio, magnesio, zinc..). Pasamos la sustancia a estado gaseoso y posteriormente condensamos el Gas y recuperamos el condensado que es un sólido más puro.
Así se pueden separar metales de otros metales con distinto puntos de ebullición por destilación fraccionada.
El proceso Mond: es un proceso de destilación para purificar el Níquel.
Ni (s) + CO [Ni(CO)4](g) ( a 70ºC )
En una tubería por diferentes presiones separamos el líquido del sólido.
[Ni(CO)4](g) Ni (s) + CO(g) ( a 200ºC obtenemos níquel ultrapuro.
o ELECTROLISIS: purificación del cobre.
Celda electroquímica: celda donde encontramos un ánodo y un cátodo del Mismo material. En el caso d la purificación del cobre, el ánodo es el Electrodo grueso de cobre, mientras que el cátodo es el electrodo Fino de cobre. Estos electrodos están conectados entre sí, y sumergidos En una disolución ácida de sulfato de cobre. Aplicamos un potencial, Donde el zinc, el hierro y el cobre que tenga el ánodo, se oxida Pasando a la disolución. El cobre se reduce antes que el hierro y que El zinc. Queremos que el cobre se reduzca y se pegue al cátodo, de Forma que el ánodo se va a ir quedando cada vez más fino y el cátodo Más grueso. Como el ánodo se está deshaciendo, llegara un punto en el Que ya solo quede oro y plata formando en la parte inferior de la celda Un barro anódico.
o Fusión POR ZONAS: se utiliza para Semimetales, como por ejemplo una barra de silicio impura. Esta barra de Silicio impura se mete por un arco electrolítico que se le da una Temperatura casi alcanzando la de fusión. Se produce una fusión parcial De dicha barra. Después a medida que se va enfriando, se solidifica el Metal puro y las impurezas quedan en la parte líquida.