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3/4 dos elementos químicos são metais

Uma estrutura cristalina formada por cátions fixos cercados por um “mar de mar de elétronselétrons”, provenientes da camada de valência.

A baixa ionização dos metais permite que os elétrons de valência permaneçam livres, movimentando-se em todo o retículo cristalino. Isso funciona como uma “colacola” ligando os metais no retículo cristalino.

Este “mar de elétronsmar de elétrons” ou “gás de elétronsgás de elétrons”, dão propriedades específicas aos metais.

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• Os elétrons livres permitem o fluxo rápido de calor e eletricidade através dos metais.

• A condutividade decresce com o aumento da temperatura.

CONDUTIVIDADE TÉRMICA E ELÉTRICA

• A resistência aumenta com o aumento da temperatura.

Porque ?

Substância Tipo deLigação

Condutividade(Ohm/cm)

Ag Metálica 6,3 x 10 5Cu Metálica 6,0 x 10 5Na Metálica 2,4 x 10 5Zn Metálica 1,7 x 10 5

NaCl Iônica 10 -7Diamante Covalente 10 -14

Quartzo Covalente 10 -14

Condutividade de vários sólidosCondutividade de vários sólidos

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O brilho se deve aos elétrons livres que absorvem energia da luz e reemitem quando retornam do estado excitado para o estado fundamental.

BRILHO

Como é absorvida luz em todos os (cores), que é imediatamente reemitida, praticamente toda luz incidente é refletida. Todos metais apresentam aspecto brilhante e lustroso, além de apresentarem cor prateada, exceto o cobre e o ouro.

Porque o AuAu e CuCu têm cores diferentes dos outro metais ?

• Alguns metais que emitem elétrons quando expostos à luz do visível (efeito fotoelétrico).

• Alguns metais emitem elétrons quando quando irradiados por radiações de pequeno.

• Outros metais emitem elétrons quando aquecidos (emissão termiônica).

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São propriedades mecânicas dos metais.

MaleabilidadeMaleabilidade: Propriedade de se deixar reduzir a chapas e lâminas bastante finas (processo de laminação).

O “gás de elétrons” permite que os cátions dos metais rolem sobre os outros sob ação de forças mecânicas. Não existe muita resistência à deformação da estrutura e uma força de coesão mantém unida a mesma.

MALEABILIDADE E DUCTIBILIDADE

DuctibilidadeDuctibilidade: Propriedade de se deixar reduzir a fios (processo de trefilação).

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Os valores decrescem de cima para baixo no grupo da tabela periódica, mostrando que são inversamente proporcionais à distância nuclear.

PONTO DE FUSÃO E PONTO DE EBULIÇÃO ALTOS

METAL PF (º C) PE (º C)Li 181 1331Na 98 890K 64 766

Rb 39 701Cs 29 685Be 1277 2477Mg 650 1120Ca 838 1492Sr 768 1370Ba 714 1638B 2030 3927Al 660 2447Ga 30 2237

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A estrutura cristalina dos metais podem ser:

• Empacotamento cúbica de corpo centrada;

• Empacotamento cúbica de face centrada (cúbico denso);

• Empacotamento hexagonal compacto (denso);

A formação destes diferentes empacotamentos depende de quê ?

Os metais normalmente reagem com outros metais para formar ligas metálicas.

FORMAM FACILMENTE LIGAS METÁLICAS

Estas se assemelham aos metais puros, pois possuem as propriedades de metais.

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Quando se aquece uma mistura de dois metais, ou quando um metal é misturado com um elemento não-metálico poderá:

• Formar um composto iônico;• Formar um liga intersticial;• Formar um liga subtitucional;• Resultar em uma simples mistura.

Tudo dependerá da natureza química dos elementos envolvidos e dotamanho relativo dos átomos metálicos e dos átomos adicionados.

LIGAS METÁLICAS INTERSTICIAIS

Se o elemento adicionado tiver átomos pequenos, eles poderão ser acomodados nos interstícios (vazios) da estrutura cristalinas dos metais. Os interstícios podem ser tetraédricos ou octaédricos.

São chamadas de soluções sólidas intersticiais e são formadas por elementoscomo: H, N, B, C e outros elementos.

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A invasão dos interstícios não altera, de modo significativo, a estrutura metálica, pois continua com as mesmas propriedades metálica. Porém existe um efeito considerável sobre as propriedades físicas, tais como: dureza, maleabilidade e ductibilidadedureza, maleabilidade e ductibilidade

O que acontece de fato?

Boretos, carbetos e nitretos intersticiais são extremamente inertes quimicamente, apresentam PF extremamente elevados e são muito duros. Carbetos de ferro são de grande importância nas diversas formas de aço.

Se metais são completamente miscíveis, eles podem formar uma faixa contínua de soluções sólidas.

LIGAS METÁLICAS POR SUBSTITUIÇÃO

Ex: Cu/Ni, Cu/Au, K/Rb, K/Cs, Rb/Cs e outras.

Um átomo substitui aleatoriamente o outro no retículo cristalino. Só poucos metais formam este tipo de solução sólida contínua.

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Regras que se aplicam à miscibilidade completa

• Os dois metais devem ter tamanhos semelhantes. Seus raios metálicos não devem diferir mais que 14-15%;

• Os dois metais devem apresentar a mesma estrutura cristalina;

• As propriedades químicas dos metais devem ser semelhantes (principalmente o número de elétrons de valência deve ser o mesmo).

As ligações e estruturas existentes em metais e suas ligas ainda não estão completamente compreendidas como existem nos compostos iônicos e covalentes.

• Teoria dos elétrons livres;

• Teoria da ligação de valência (TLV);

• Teoria dos orbitais moleculares (TOM) ou teoria das bandas.

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DADOS VALORESd (g/cm³) 7,8740

Raio atômico (pm) 126Estrutura cristalina Empacotamento cúbico

de corpo centradoZ 26

Massa atômica (g/mol) 55,8452Configuração eletrônica [Ar] 3d6 4s2

NOX (mais comuns) + 2; +3Preço (dólar/grama) < US$ 0,05Abundância (ppm) 50.000

PF (º C) 1535

•Maior componente da “siderita” (meteoritos); Abundância cósmica relativa;• 0,5 % do solo lunar é constituído por Fe metálico;• É o 4º elemento mais abundante na crosta terrestre (após o O, Si e Al) e o 2º metal mais abundante;• É o metal mais empregado pelo homem.• É um metal cinza.

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Minérios mais importantes:Minérios mais importantes:

• Hematita (Fe2O3) - 70% em Fe;• Magnetita (Fe3O4 óxido duplo) - 74% em Fe;• Limonita ( 2Fe2O3.3H2O) - 52-60% em Fe;• Siderita (FeCO3) - 48% em Fe;• Pirita (FeS2) - Não utilizado para extração de Fe;• Ilmenita (FeTiO3) - Não utilizado para extração de Fe;

• O Fe é a espécie central do grupo HEME, constituínte da hemoglobina, mioglobina e dos citocromos.

• Sua grande utilidade neste grupo é o transporte de oxigênio dos pulmões para outras partes do organismo onde há necessidade. Esta interação com o O2, é bastante reversível.

Qual a importância do Fe no nosso dia-a-dia ?

Curiosidade

• A interação do Fe na HEME com CO (monóxido de carbono) ou com o CN- (cianeto) são irreversíveis, logo estes são bastante tóxicos. Com isso o O2 deixa de ser transportado no sangue.

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A obtenção de FeFe é feita através da redução dos seus óxidos (limonita ou hematita) com o carvão em alto-forno (siderurgia).

Produção de Fe (Siderurgia)

• Primeiro estágio: Preparação do minério para redução em alto-forno. O produto obtido é conhecido como ferro gusaferro gusa (ferro fundido).

Mistura no alto-forno: minério de ferro, carvão vegetal (ou coque) e calcário fundente. O coque reage com o oxigênio e produz o monóxido de carbono, que irá reduzir o óxido de ferro.

232 CO 3 Fe 2 CO 3 OFe

O ferro-gusaferro-gusa formado tem 4-5% de CC e quantidades variáveis de SS, P P e Si Si.

No refino o ferro-gusaferro-gusa se transforma em ferro-doceferro-doce.

As impurezas irão reagir com o fundente (calcário) e formará a “escóriaescória” que será retirada pela parte inferior do alto-forno.

Parte da escória é utilizado na construção de estradas, em blocos e pedras artificiais para construção civil.

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A partir do Fe, obtém-se o aço, liga Fe/CFe/C. Outros elementos podem ser introduzidos para melhorar sua qualidade. Exemplos: NiNi, CrCr, MnMn, VV e outros elementos.Tipos de aço:Tipos de aço:

• Aço/Mn- Trilhos de trem;• Aço/W- Filamentos para lâmpadas• Aço/Cr/Ni- Aço inoxidável• Aço/V- Para ferramenta de corte• Aço/Rh- Extremamente rígidas• Aço/Ir- Aço usado nas agulhas para injeção• Aço/Ta- Aço de corte;• Aço/Nb- Resistente ao calor e corrosão• Aço/Co- refratário.

Produção mundial (dados de 1995)- 1020 Mt de Fe e 748 Mt de aço

China 25% Oeste Europeu 22,7%Brasil 18% América do

Norte16,2%

Rússia 14% Japão 13,6%Austrália 12,9% China 12,4%

Índia 6% Rússia 10,6%EUA 6% América do Sul 4,7%

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DADOS VALORESd (g/cm³) 2,70

Z 13Massa atômica (g/mol) 26,982

Configuração eletrônica [Ne] 3s2 3p1

NOX (mais comuns) +3Preço (dólar/grama) < US$ 0,05

Abundância 3º elementoPF (º C) 660

• Possui baixa densidade e excelente resistência à corrosão;

• Metal branco-azulado, brilhante não encontrado na forma livre;

• A maior parte do Al ocorre nos aluminosilicatos, argilas e feldspatos;

• O minério de Al é a bauxita (Al2O3 - óxido). O nome deste minério provém da Vila Medieval do Sul da França chamada Les Baux.

• O Al tem seu nome ligado a um de seus compostos, o ALÚMEN, do latim, significa “sabor adistringente”.

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Originalmente o Al foi obtido no século XIX pela redução do Al2Cl3 com Na porém com um custo muito elevado.

Histórico/ProduçãoHistórico/Produção:

O teor de Al na crosta terrestre é cerca de 2,5 vezes maior que a do Fe. Todavia o custo de Al é maior que a do Fe. No passado (início do século XIX), o metal Al era mais caro que o Au. Reis se destacaram por dar banquetes combaixelas de Al em lugar do Au. Contudo a partir de 1886, uma nova tecnologia de produção do metal Al por Charles Martin Hall e Herolt (trabalhando em países diferentes, reduziu-lhe o preço cerca de duas mil vezes, permitindo queum maior número de pessoas usassem utensílios deste metal, acabando com o privilégio dos reis.

NaCl 3 Al Na 3 AlCl3

O processo eletrolítico de Hall-Herolt é utilizado até hoje. O Al2O3 é misturado com criolita (Na3AlF6) a 980º C e é eletrolizado. O Al é reduzido no cátodo de grafite (carbono). O oxigênio produzido é transformado no ânodo de grafite (carbono) em CO2.

232 CO 3 Al 4 C 3 OAl 2

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As células operam com baixa voltagem (4,0 a 5,5 V), porém com elevadacorrente elétrica (50.000 a 150.000 A). Cada Kg de Al requer 13 a 16 KWh de energia.

• O AlAl é um metal extremamente versátil. Pode ser enrolado, prensado, moldado, curvado, extrudado, dando origem às mais variadas formas.

Utilização

• A baixa densidade torna-o útil na construção de aeronaves e utilização em indústrias automobilísticas.• A alta resistência mecânica e a inércia à corrosão, o AlAl é largamente utilizado na construção civil.• O AlAl puro é muito mole para ser utilizado nas estruturas, porém as ligas utilizam, incorporam, pequenas quantidades de CuCu, SiSi, MnMn ou MgMg, dando resistência e dureza que se aproximam de alguns aços.

• O AlAl puro é um excelente condutor elétrico e é aplicado em fios elétricos, substituíndo cada vez mais o CuCu, que é escasso.

• Sua condutividade é 2,1 vezes maior que a do CuCu, em uma base peso/peso (a densidade do AlAl é baixa)

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LIGA COMPOSIÇÃOSérie 1000 Al comercialmente puro

(outros elementos < 1%)Série 2000 Al/Cu (~ 1%)Série 3000 Al/Mn (~ 1,2%)Série 4000 Al/Si ( 12%)Série 5000 Al/Mg (0,3-0,5%)Série 6000 Al/Mg/SiSérie 7000 Al/Zn/Mg (3-8%)

COMPOSIÇÃO IMPUREZASMETÁLICAS

GEMA COR

Al2O3 Cr (+3) Rubi Vermelho

Al2O3 Fe (+2;+3) eTi (+4)

Safira Azul

Quartzo Cr (+3) eV (+3)

EsmeraldaOriental

Verde

Al2O3 Cr (+3) eTi (+4)

AmetistaOriental

Violeta

Aluminoquartzo

Fe (+2) TopázioOriental

Amarelo

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A versatilidade do Al é suficiente para o tornar mais competitivo em relação aos outros metais ?

Alumínio: Fabricar ou reciclar ?

Porque ?

Energia: Fator determinante na fabricação de Al

A reciclagem (refusão do metal secundário) e o custo de Al

Porque reciclar ?

• Economia de Energia

• Agressão ao Meio-ambiente

• Preço final

• Questão Social

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DADOS VALORESd (g/cm³) 8,96

Z 29Massa atômica (g/mol) 63,5463

Configuração eletrônica [Ar] 3d10 4s1

NOX (mais comuns) +1, +2Preço (dólar/grama) < US$ 0,05

Abundância 25º elemento (50 ppm)PF (º C) 1356

• Excelente condutor elétrico, inerte e é usado em ligas como latão (com Zn), bronze (com Sn), monel (com Ni) e ouro 18 quilates (com Au). Existem mais de 1000 tipos de ligas com o Cu.

• É conhecido desde 3.500 anos a.C. e foi bastante utilizado como bronze 3.000 anos a.C. na Índia, Mesopotânia e Grécia (era do broze).

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Metal avermelhado e denso, é encontrado em estado metálico e na forma combinada em alguns minérios como:

• Calcosita (Cu2S).• Malaquita (CuCO3.Cu(OH)3).• Cuprita (CuO2).• Calcopirita (CuFeS2).• Cu3AsS4.

• O processo de obtenção de Cu a partir do Cu2S é chamado USTULAÇÃO (na presença de ar seco).

222 SO Cu 2 O SCu

Produção mundial de Cu (1993) - 8 Mt

• Chile 22% Rússia 9% Zâmbia 5%• USA 20% Canadá e China 7,5% cada

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DADOS VALORESd (g/cm³) 13,5341

Z 80Massa atômica (g/mol) 200,592

Configuração eletrônica [Xe] 4f14 5d10 6s2

PF (º C) - 3Energias de Ionização 1.007 / 1.810 / 3.302

Abundância 0,5 ppm

Hydrargyrum do latim, prata líquida, Hg.

O único metal líquido a temperatura ambiente.

Porque o Hg é líquido ?

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• Energia de Ionização elevadíssima, logo os seus elétrons não estão facilmente livres para deixar o “gás de elétrons” participar da ligação no retículo cristalino, característico nas ligações metálicas. As energias de ionização do Hg são elevadas devido ao subnível f completo, pois este possui fraca capacidade de blindagem.