Estrutura e Propriedades dos Metais - dulce-campos.comdulce-campos.com/.../10/3-Estrutura-e-Propriedades-dos-Metais1.pdf · Os metais apresentam propriedades físicas macroscópicas

Estrutura e Propriedadesdos

Metais

1.1 Metais e Ligas Metálicas

24-Out-10 1Dulce Campos

A Ligação MetálicaOs metais apresentam propriedadesfísicas macroscópicas que sugeremclaramente um modelo especial para aligação que une os seus átomos.

E quais são essas propriedades?

Elevada densidade.Bons condutores de corrente eléctrica e de calor.Elevados pontos de fusão e de ebulição.

1.1.3. Estrutura e propriedades dos metais


O MODELO DE LIGAÇÃO METÁLICA

Quais as características deste tipo de modelo de ligação metálica que a torna especial?




A sobreposição das nuvens electrónicas na rede metálica, permite que os electrões de um átomo se movam nas nuvens electrónicas dos átomos adjacentes.

A transformação de cada átomo do metal num ião positivo (cerne do átomo), rodeado por um certo número de outros iões idênticos numa rede a três dimensões, onde os electrões mais periféricos se movem livremente de uma camada para outra.



Uma força ligante que une os átomos entre si na rede metálica, resultado da interacção entre os electrões periféricos deslocalizados que se movimentam entre "iões".

A não alteração da electroneutralidade do metal.




Exemplo do que se passa no átomo de sódio, com um único electrão de valência,




Generalizando para todos os metais:Electrões de valência encontram-se deslocalizados por todo o metalNão pertencem a nenhum núcleo em particular (assim sendo, na estrutura sólida dos metais, em posições mais rígidas, encontrar-se-ão partículas constituídas pelo que resta da "libertação" dos electrões de valência, consequentemente partículas com carga eléctrica positiva).A ligação química é assegurada pelas forças atractivas entre estas partículas e a totalidade dos electrões deslocalizados por todo o volume do metal.



COMO É QUE O MODELO DE

LIGAÇÃO METÁLICA EXPLICA

AS PROPRIEDADES

MACROSCÓPICAS DOS

METAIS?



PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS METAIS

COMO SUBSTÂNCIAS E MATERIAIS

Os metais constituem são mais de 75% dos elementos da Tabela Periódica.

Apresentam algumas propriedades que fazem que eles sejam únicos para algumas aplicações.

O modelo da ligação metálica explica muitas dessas propriedades ditas metálicas




A - 0 brilho e a corQuando polidos, os metais apresentam-se brilhantes devido ao facto de reflectirem luz:– se o metal reflectir todas as "cores" do espectro

electromagnético, a sua coloração será prateada;– se o metal não reflectir todas as cores do espectro

electromagnético, reflectira a cor que ele não absorve, razão pela qual o ouro é amarelo e o cobre e avermelhado.

Explicação– A presença de electrões livres permite aos metais a

reflexão da Iuz, já que podem ser excitados por absorção de fotões e voltar ao estado inicial emitindo fotões.



PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS METAISB - Bons condutores de electricidade e de

calorSignifica dizer que apresenta valores elevadospara as condutividades eléctrica e térmica.

Explicação– Boa condutividade eléctrica, porque os electrões

deslocalizados têm uma grande mobilidade dentro da rede, comunicando o impulso eléctrico com rapidez.

– Boa condutividade térmica, porque os electrões deslocalizados transmitem a energia de vibração de um ião positivo aos iões vizinhos.




Nos metais, a densidadevaria. O ferro, o zinco, o ouro e o chumbo podem, por exemplo, ser classificados como metaisdensos, enquanto que o magnésio, o alumínio e o titânio são considerados metais pouco densos (ρinferior a 5g /cm 3).

Metal p / g cm-3

Alumínio 2,70

Cobre 8,96

Chumbo 11,36

Magnésio 1,74

Zinco 7,13

Ferro 7,86

Ouro 19,31

Titânio 4,54

C - Densidade, dureza e ponto de fusão




A dureza de um metal é definida, como a "resistência do metal a uma deformação plástica", mas também pode estar relacionada com a resistência ao risco e à abrasão.

Confere-lhe a capacidade de resistir, de forma permanente, a deformação (encurvar, partir ou mudar de forma), quando sujeito a uma carga (força).

Quanto maior for a dureza do metal, maior será a sua resistência a deformação; esta propriedade pode ser avaliada através de muitas escalas, como a de Rockwell, a de Brinell e a de Mohs, entre outras.





Explicação

São geralmente densos e duros porque as partículas presentes nos metais estão fortemente "empacotadas" na rede cristalina.

Têm elevados pontes de fusão e ebulição porque as forças de atracção entre as particulas são intensas. É necessário um valor elevado de energia térmica para superar as forças de atracção entre os cernes (iões positives) e os electrões deslocalizados. Estas forças fazem-se sentir em toda a rede cristalina.





A ductilidade de ummetal é a propriedadeque permite que ele sejaestirado e se obtenhamfios finíssimos.

A ductilidade do ouro (estiramento/distensão), por exemplo, é tal que, com 30 g desse metal, pode obter-se cerca de 85 metros de arame ou fio!!!

D – Ductilidade e maleabilidade




A maleabilidade, permite moldar e deformar.

O ouro é tão maleável que se consegue obter dele folhas finíssimas (filmes). Esses filmes são usados nos visores dos capacetes de astronautas, nos vidros nas cabinas dos aviões e nos veículos espaciais como protecção contra radiações infravermelhas.





Explicação

São maleáveis e dúcteis porque:

– a distorção não rompe a ligação metálica

pois

– sua natureza não direccional, o deslocamento de átomos não altera significativamente as forças de ligação.




Rearranjo dos Cernes Atómicos Sujeitos a Uma Força

As ligações entre os átomos de um metal, embora fortes, não estão dirigidas entre átomos específicos, uma força aplicada pode fazer deslocar as camadas de cernes atómicos umas em relação às outras no «mar» de electrões de valência, sem ruptura.

Por isso é que os metais podem ser martelados de forma a adquirirem diferentes formas, assim como serem esticados em fios e varões (extrusão).




Propriedades dos metais ExplicaçãoDensos e duros (na generalidade).

As particulas presentes nos metais estão Fortemente "empacotadas" na rede cristalina.

Elevados pontos de fusão e ebulição

Forças atracção entre as partículas são intensas. É necessário elevados valores energia térmica para superar forças de atracção entre cernes e electrões deslocalizados.

Boa condutividade térmica Electrões deslocalizados transmitem a energia de vibração dos iões positivos aos iões vizinhos

Boa condutividade eléctricaElectrões deslocalizados têm grande mobilidade dentro da rede, comunicando o impulso eléctrico com rapidez

Maleabilidade e ductilidade A ligação metálica não rompe dada a sua natureza não direccional

Brilho Os electrões livres permitem aos metais a reflexão da luz pois são excitados por absorção de fotões



QUE DIFERENÇAS EXISTEM ENTRE SÓLIDOS METÁLICOS

E OUTROS TIPOS DE SÓLIDOS?Sólidos iónicos

Sólidos covalentesSólidos moleculares


Sólidos cristalinos, redes cristalinas e células unitárias do cristal

Os sólidos apresentam, para além das diferenças na condutividade eléctrica, uma gama variada de propriedades que os distingue uns dos outros:

uns são duros, como o diamante;

o naftaleno ou o gelo, são muito menos duros e podem ser esmagados com facilidade;

o ferro ou o cloreto de sódio, têm elevados pontos de fusão, enquanto outros, como a cera, fundem a baixa temperatura.




E de que depende esta variedade de propriedades?

– do tipo de partículas que constituem o sólido

– da magnitude das forças atractivas que mantêm o sólido unido.

– As propriedades são determinadas pelo elevado grau de ordem no arranjo das partículas constituintes do sólido, sejam elas moléculas, átomos ou iões, o que Ihes confere o estatuto de cristal.




As formas regulares e simétricas dos flocos de neve, por exemplo, são causadas pelo empacotamento altamente organizado das moléculas de água dentro do cristal de gelo




E como se arranjam as partículas no interior do sólido cristalino?

– As partículas nos cristais distribuem-se em padrões – Células Unitárias - que se repetem em todas as direcções do espaço.

– O resultado destes padrões é o que se chama de rede cristalina.

– O elevado grau de regularidade das redes cristalinas e o factor principal que distingue os sólidos dos líquidos.




Que tipos de sólidos cristalinos existem e como são as suas redes?



Cristais metálicos e não metálicos

Cristais metálicos

– Estruturas cristalinas onde átomos de um único elemento (substâncias elementares) se organizam de forma continua em diferentes tipos de empacotamento regular.



Cristais metálicos e não metálicos

Cristais não metálicos

– Iónicos: NaCl

– Covalentes: Diamante,

– Moleculares : Gelo, Iodo



CRISTAIS METÁLICOSOs cristais metálicos possuem redes variadas.

Metais comuns coma cobre, prata, ouro, alumínio e chumbo formam cristais em que a célula unitária a um cubo de faces centradas: os pontos da rede são encontrados em cada um dos oito vértices e no centro de cada face.

Notar que apenas uma porção de cada átomo fica contida na célula unitária; o resto fica localizado nas células adjacentes.



Empacotamento Regular nos Cristais Metálicos


• métodos físicos, tais como a difracção de raios X, revelam a forma de empacotamento regular dos átomos

Cúbica Cúbica de Corpo Cúbica de Corpo Hexagonal deSimples Centrado Centrado Empac. PerfeitoEx: Mn Ba, V, Cr, Fe, Mo, W Be, Mg, Sc, Co, Zn, Cd


CRISTAIS IÓNICOSEm 1913, determinou-se a estrutura cristalina do cloreto de sódio, por difracção de raios X.

Verificou-se que no cristal não existiam moléculas individualizadas de cloreto de sódio do tipo NaCI.

O cristal apresenta uma distribuição de iões numa rede cúbica em que cada ião CI- esta rodeado por seis iões Na+ e cada ião Na+ esta rodeado por seis iões CI-.



CRISTAIS IÓNICOSA estrutura de um cristal depende da natureza dos iões que o constituem:

– as configurações electrónicas nas camadas mais externas do anião e do catião determinam os respectivos raios iónicos e condicionam a aproximação permitida aos iões, fixando a distancia inter-iónica de equilíbrio no cristal.

o cristal iónico evidencia uma grande estabilidade, resultante do efeito cumulativo das interacções entre os iões positivos e negativos ao longo de toda a rede cristalina.

Verifica-se uma grande diminuição da energia potencial do sistema de iões quando são conduzidos desde o estado gasoso (isolados) até à posição fixa que ocupam na rede cristalina e que se designa por energia de rede cristalina.



CRISTAIS IÓNICOS

Energia de Rede Cristalina – U.– O que é?

Energia de rede cristalina para um composto iónicogenérico MX é a energia libertada quando 1 mol decatiões metálicos (M+) no estado gasoso reage com1 mol de aniões (X-) no estado gasoso, para formar1 mol do composto MX no estado sólido.

Ex: Na+(g) + Cl-(g) → NaCl (s) ∆H = -587 KJ mol-1



CRISTAIS IÓNICOS

Energia de Rede Cristalina – U.Ou alternativamente


A energia mínima necessária para separaros iões de 1 mol do sal no estado sólidopara formar 1 mol de catiões e 1 mol de

aniões no estado gasoso

(U, energia de rede) + MX (s) → M+ (g) + X-(g)

MX (s) → M+ (g) + X- (g) ΔH> 0 (absorção de energia)


CRISTAIS IÓNICOS

Energia de Rede Cristalina – U.Como se determina?



CRISTAIS IÓNICOSEnergias de rede para os halogenetos alcalinos (KJ mol-1).



CRISTAIS IÓNICOSEnergia de Rede Cristalina – U

– diminui à medida que o ião X- ou o ião M+ aumentam de tamanho pois a atracção de dois iões de carga contrária é tanto menor quanto maior for a distância inter-iónica.

– raios iónicos semelhantes, as forças de atracção aumentam com a carga dos iões: a energia de rede de CaO, 3607 kJ mol-1, é bastante superior à de NaCI, 766 kJ mol-1;



CRISTAIS IÓNICOSEnergia de Rede Cristalina – U– Maior balanço atractivo entre as forças

electrostáticas presentes num sal reflecte-se, em regra, em maior resistência do cristal a ser riscado - maior dureza - e maior ponto de fusão.

– Exemplos:O cloreto de sódio funde a 800 °C, ao passo que o ponto de fusão do óxido de cálcio (de maior energia de rede) é 2570 °C e o do iodeto de sódio (de menor energia de rede) é 650 °C.

Paralelamente, a dureza de NaCI, na chamada escala de Mohs, é 2,5, ao passo que a de CaO é 4,5.



CRISTAIS IÓNICOSCristais Iónicos Vs Cristais Metálicos– os iões nos cristais iónicos, embora animados

de incessantes movimentos vibracionais, não se deslocam livremente de uma posição para outra no cristal.

– Por isso, os cristais iónicos são maus condutores eléctricos.

– No entanto, quando fundidos ou em solução, os iões adquirem grande mobilidade e a condutibilidade eléctrica fica garantida.



CRISTAIS IÓNICOS

Outra diferença em relação aos metais é a fraca resistência dos cristais iónicos à tracção.

Explica-se pelo facto de deslizes na rede cristalina colocarem em oposição iões com a mesma carga.

As forças repulsivas resultantes levam ao afastamento das camadas e à ruptura da rede.


Cristais Iónicos Vs Cristais Metálicos


CRISTAIS COVALENTESAs unidades constituintes são átomos que se ligam uns aos outros, compartilhando pares de electrões, por meio de ligações covalentes.Os cristais covalentes formam uma "molécula" única, gigante.Cada um dos átomos de carbono esta ligado a outros quatro átomos, situados no vértice de um tetraedro, em que o primeiro ocupa o centro.

Deste arranjo, resulta uma rede cristalina rígida, tridi-mensional



CRISTAIS COVALENTESOutro sólido covalente muito comum e a sílica, SiO2, constituinte do quartzo e do vidro.

Cada átomo de silício, no centro de um tetraedro, liga-se por covalência a quatro átomos de oxigénio, situados no vértice desse tetraedro e cada átomo de oxigénio liga-se por covalência a dois átomos de silício de dois tetraedros adjacentes.



CRISTAIS MOLECULARESAs moléculas existem como unidades individualizadas,

Tal não acontece com os outros tipos de sólidos que se comportavam como uma "molécula" única, gigante.

As moléculas isoladas como as de amoníaco, água, metano e fluoreto de hidrogénio só existem no estado gasoso.

Quando estas substâncias passam ao estado líquido e ao estado sólido, as moléculas interactuaram de modo a manterem-se ligadas umas as outras: Forças Intermoléculares

Para além do enxofre, são exemplos deste tipo de cristais o iodo e o naftaleno.



PROPRIEDADES VÁRIOS TIPOS DE SÓLIDOS



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Ligas MetálicasÉ uma solução sólida que se obtêm por arrefecimento de uma mistura homogénea fundida de um metal com um ou mais elementos,metálicos ou não metálicos.Uma liga tem uma aparência exterior homogénea e os seus componentes não podem ser separados por processos físicos.

As ligas representam uma "família" enorme de materiais produzidos com uma gama extensa de propriedades que encontram grande aplicação na sociedade tecnológica actual.



Ligas Metálicas

Quais os metais que constituem as principais ligas?

– Incluem os metais situados no bloco d da Tabela Periódica.



Ligas MetálicasHá ligas formadas somente por metais e outras formadas por metais e semi-metais (boro, silício, arsénio, antimónio) e por metais e não-metais (carbono, fósforo). Possuem algumas características que os metais "puros" não apresentam sendo por isso muito utilizadas.



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Ligas Metálicas1.1.3. Estrutura e propriedades dos metais

Ligas Metálicas

Existe uma infinidade de possibilidades de composição, qualitativa e quantitativa, para uma liga.– Fe+C 4% -pouco interesse prático –mtº

quebradiça.

– Fe+C 0.1% - mtº dúctil – arames finos, clips agrafos.

– Fe+C 1% - mais resistente – arames estruturas pneus automóveis


• Exemplos de Aços:


Ligas MetálicasO que acontece quando se adicionam átomos maiores a uma rede metálica?– interrompem o arranjo regular dos átomos e

dificultam os deslizamentos das camadas umas sobre as outras. Isto torna a liga menos maleável e dúctil que o metal puro.


Metal


Ligas MetálicasO que acontece quando se adicionam átomos menores a uma rede metálica?

– No aço, por exemplo, os átomos dos não-metais como o carbono e azoto podem preencher os espaços entre os átomos de ferro. Isto também distorce a rede metálica e torna mais difíceis os movimentos das camadas umas sobre as outras.



Ligas MetálicasE qual será a razão do aparecimento de diferentes propriedades nas ligas?1º - Os constituintes da liga2º - Como os constituintes se dispõem espacialmente


Liga substitucional Liga intersticial



Ligas metálicas Composição Usos

Amálgama Hg + Ag + Sn Obturações (antigamente]

Bronze Cu +Sn Sinos, moedas, estátuas

Latão Cu + ZnTubos, radiadores, armas, cartuchos, torneiras

Solda Pb + Sn Solda usada para alguns materiais

Aço inox Fe + C+ Cr+ NiTalheres, utensílios de cozinha, peças de carro, brocas



Ligas metálicas Composição Usos

Aços Fe + C (0.2% - 2%)Construção civil, industria metalomecânica.

Constantan Cu +Ni Termopares metálicos, resistências eléctricas

Cuproníquel Cu + Ni Tubagens, moedas

Nitinol Ni + Ti Medicina, óculos

Ouro branco Au + Zn + Cu ou Au + Ni + Pd Joalharia


Ligas MetálicasO que significa dizer “Prata de Lei” e “Ouro de Lei”?

– "prata de lei", a mais valiosa, consiste numa liga contendo cerca de 92,5% de prata pura. Pratas menos valiosas contem um teor maior de outro metal ou de ligas diversas.

– ' Designa-se por "ouro de lei" ou "ouro lei" o ouro de 19,25 K (quilates).



Ligas MetálicasQual o significado do Kilate?

O quilate (K) é um sistema usado para estabelecer o grau de pureza em ouro de uma determinada peça.Considera-se que o ouro puro corresponde a 24 K (24partes de ouro e 0 (zero) partes de outro metal).

– ouro de 18 K - contém 18 partes de ouro e 6 partes de outro (s) metal (ais), o que faz 75% em ouro (a soma das partes de todos os metais tem de ser igual a 24).

– Ouro de 12 K - contém 12 partes de ouro e 12 partes de outro (s) metal (ais), o que faz 50% em ouro.



Ligas Metálicas

Que ligas de ouro existem?



Ligas Metálicas

Nitinol - Ni-Ti;Cu-Zn-Al;

Ag-Cd;

Au-Cd;

Cu-Al-Ni;

Cu-Sn; ...


• Memória de Forma


Ligas MetálicasO que são ligas com memória de forma?

São ligas metálicas que exibem duas propriedades únicas, a pseudo-elasticidade e o efeito da memoria de forma.

– Foi Arne Olander, em 1938, o primeiro a observar estas propriedades invulgares; no entanto, só nos anos 60 e que se registaram maiores desenvolvimentos no campo das ligas com memoria de forma.

Materiais quando submetidos a uma deformação espontaneamente recuperam a forma original através de aquecimento moderado.

– Quando deformado ocorre mudança brusca da rede cristalina dos átomos (mudança de fase mantendo-se o mesmo estado físico de agregação: sólido).

– Quando aquecido esta nova estrutura deixa de ser estável, e o material volta à forma original.




APL 2 – Composição de uma liga metálica


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