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2013/2014
A Química e o Desporto
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LIGAS METÁLICAS
METAIS
A palavra “metal” (na Grécia antiga, métalon que significa mina) assume,
no nosso quotidiano, vários significados conforme o contexto em que é utilizada.
Quimicamente, um metalé um elemento, substância ou liga, caracterizado pela
boa condutividade elétrica e térmica, pela cor vulgarmente prateada ou
amarelada, por um alto ponto de fusão e de ebulição,e uma elevada dureza.
Os metais são extraídos de minérios que se encontram na natureza, em
minas no interior da terra ou a céu aberto.
ELEMENTOSMETÁLICOS NA TABELA PERIÓDICA
A maioria dos metais é quimicamente estável, com a exceção notável dos
metais alcalinos e alcalino-terrosos, encontrados nos dois primeiros grupos da
Tabela Periódica.
Os elementos semimetálicos são aqueles que apresentam,
simultaneamente, propriedadescaracterísticas dos elementos metálicos e dos
elementos não metálicos.
GRUPO
PER
ÍOD
O
1 2 3 4 5 6 7
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1
2
1
8
13 14 15 16
17
METAIS
SEMIMETAIS
NÃO METAIS
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Na classe dos metais
encontram-se alguns
que são particularmente
semelhantes,
agrupando-se, por isso,
em famílias:
ENERGIA DE IONIZAÇÃO
Ao longo de um período da Tabela Periódica, a energia
de ionização aumenta dos metais para os não metais
Os metais apresentam valores baixos de energia de
ionização e os não metaisapresentam valores mais elevados
Assim, os elementos metálicos formam, predominantemente,
iões positivos e os elementos não metálicos, iões negativos.
Energia mínima necessária para ejetar uma mole de eletrões de uma mole de
átomos neutros, no estado gasoso e fundamental, de forma a originar “iões positivos”.
Li
Na
Rb
K
Cs
M
g Ca
Sr
Ba
C
r
1
2
18
F
Cl
I
Br
O
S
N
P Al
Sn
Pb
Mn Fe Co Ni Cu Zn
Ag
ENERGIA DE IONIZAÇÃO AUMENTA
EN
ER
GIA
DE I
ON
IZA
ÇÃ
O A
UM
EN
TA
Metais de transição
Metais alcalinos
Metais alcalino-terrosos
Halogéneos
Gases nobres
1
2
17
18
1
2 17
18
88
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
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AFINIDADE ELETRÓNICA
Quanto mais elevada for a energia libertada quando um átomo capta um
electrão, mais estável é o anião em relação ao átomo e maior é a sua afinidade
electrónica.
Energia necessária para retirar um eletrão de um ião mononegativo.
H +73
3 4 5 6 7 8 9 10
11 12
1
2
1
8
13 14 15 16
17
AFINIDADE ELETRÓNICA AUMENTA
Tende a ser maior para os elementos do
lado direito da Tabela Periódica
ELEMENTOS METÁLICOS ELEMENTOS NÃO METÁLICOS
Apresentam baixas afinidades
eletrónicas, pelo que não têm
tendência a captar eletrões.
Apresentam elevados valores
para a afinidade eletrónica,
pelo que são mais estáveis
sob a forma de aniões.
AFIN
IDA
DE E
LETR
ÓN
ICA
AU
MEN
TA
Li +60
Na +53
K +48
Rb +47
Cs +45
Fr +44
Be 0
Ca +2
Sr +5
Ba +14
Ra
Mg 0
Sc +18
Y +30
Lu
Lr
Ti +8
Zr +41
Hf
Rf
V +51
Nb +86
Ta +31
Db
Cr +64
Mo +72
W +79
Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
Mn
Tc +53
Fe +16
Ru +101
Co +64
Rh +110
Ni +112
Pd +54
Cu +118
Ag +126
Re +14
Os +106
Ir +151
Pt +205
Zn -47
Au +223
Cd -32
Hg -61
B +27
Al +43
Ga +29
In +29
Tl +20
He -21
Ne -29
Ar -35
Kr -39
Xe -41
Rn -41
F +328
Cl +349
Br +325
I +295
At +270
O +141
S +200
Se +195
Te +190
Po +183
N -7
P +72
As +78
Sb +103
Bi +91
C +122
Si +124
Ge +116
Sn +116
Pb +35
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ESTRUTURA DOS METAIS
LIGAÇÃOMETÁLICA
MODELO DE LIGAÇÃO METÁLICA
Qualquer superfície não polida e não oxidado de um metal, por exemplo a
que fica exposta ao partir-se um fio metálico, mostra pequenos cristais.
As formas geométricas regulares destes cristais constituem uma indicação
do arranjo regular dos respetivos átomos. Alguns métodos físicos, tais como a
difração de raiosX, revelam a forma de empacotamento regular dos átomos.
A forma compacta como os átomos dos metais se associam significa que os
respetivoseletrões de valência se encontram partilhados entre cada átomo e os
vizinhos, e entre estes e os seguintes e, assim, sucessivamente.
Os eletrões de valência constituem, assim, uma
nuvem ou “mar” de carga elétrica negativa que abrange
todo o cristal e onde se inserem, segundo o tipo de
empacotamento, os cernes atómicos, de carga positiva,
formados pelos núcleos e pelos eletrões mais interiores. A
estabilidade de cada cristal metálico resulta, sobretudo,
de um balanço entre as atrações “mar de eletrões” – “cernes atómicos” e as
repulsões entre estes cernes de carga positiva (e entre os eletrões de valência
partilhados), com vantagem para as atrações. É nisto que consiste a chamada
ligação metálica.
A eficácia da ligação metálica depende de vários fatores, em que se inclui
o número de eletrões de valência partilhados e, consequentemente, a carga dos
cernes.
Estrutura cúbica
simples
Estrutura cúbica de
corpo centrado
Estrutura hexagonal de
empacotamento
perfeito
Estrutura cúbica de
corpo centrado
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PROPRIEDADES CARACTERÍSTICAS DOS METAIS COMO
SUBSTÂNCIAS OU MATERIAIS
COR E BRILHO
Quando polidos, os metais apresentam-se brilhantes e de cores diferentes
em função de refletirem ou não todas as radiações que sobre eles
incidem.
RESISTÊNCIA ELÉTRICA E TÉRMICA
Um metal, geralmente, apresenta valores elevados para a condutividade
elétrica e térmica, o que significa que são bons condutores de corrente
elétrica e de calor.
PONTO DE FUSÃO E DE EBULIÇÃO
Os metais apresentam pontos de fusão variados.
Os metais apresentam algumas
propriedades que fazem com que eles
sejam únicos para algumas aplicações.
A reflexão da luz é explicadapela presença de eletrões livres nos metais, que
podemser excitados por absorção de fotões e voltar ao estado inicial emitindo fotões.
Os eletrões deslocalizados têm grande
mobilidade dentro da rede, comunicando
o impulso elétrico com rapidez.
Os eletrões deslocalizados
transmitem a energia de vibração de
um ião positivo aos iões vizinhos.
Os elevados pontos de fusão e ebulição
nos metais devem-se às intensas forças de
atração entre partículas, que levam à
necessidade de um valor elevado de
energia térmica para superar as forças de
atração entre os iões positivos e os eletrões
deslocalizados.
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DUREZA
Esta propriedade confere aos metais a capacidade de resistir, de forma
permanente, à deformação, quando sujeito a uma carga. Assim, quanto
maior dor a dureza, maior será a sua resistência à deformação.
DENSIDADE
A densidade dos metais não é toda da mesma ordem de grandeza, razão
pela qual alguns metais são classificados como metais densos e outros
considerados como metais pouco densos.
DUCTILIDADE
A ductilidade de um metal é a propriedade
que lhe permite ser sujeito a estiramento
para se obter fios finíssimos.
MALEABILIDADE
Propriedade que permite moldar e
deformar os metais.
Devido à elevada intensidade de ligação metálica e ao facto das partículas
presentes nos metais estarem fortemente “empacotadas” na rede cristalina, os
metais são geralmente duros.
Estiramento
Fios de cobre
À medida que o número atómico aumenta nos metais de transição, a massa do
átomo aumenta sem que o raio varie significativamente, o que implica um
aumento da densidade.
A distorção não rompe a ligação metálica entre partículas, isto porque dada a
sua natureza não direcional, o deslocamento de átomos não altera
significativamente as forças de ligação.
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Uma consequência direta da estrutura dos metais é a possibilidade de se
formarem ligas metálicas.
Um “metal puro” é constituído por átomos de uma única espécie, que se
encontram regularmente distribuídos num determinado reticulado cristalino. A
introdução de átomos de elementos estranhos nesse sistema altera a rede
cristalina inicial, dando origem ao aparecimento de uma nova fase, diferente
daquela que existia quando o metal era puro. Uma ligametálica éassim, uma
mistura sólida, frequentemente homogénea, que se obtém por arrefecimento de
um metal fundido com um ou mais elementos, metálicos ou não metálicos, que
não podem ser separados por processos físicos.
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).
Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é
empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em
relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de
produção.
Ligas metálicas são materiais de propriedades semelhantesàs dos metais,
porém melhores do ponto de vista tecnológico, e que contêm pelo menos um
metal na sua composição. Distinguem-se de compostos químicos, pelo facto dos
elementos ocorrem em proporções bem definidas.
Há ligas formadas somente de metais e outras formadas de metais e
semimetais (como por exemplo o boro e o silício), de metais e não-metais (como o
carbono e o fósforo).
METAIS (COBRE E ESTANHO) LIGA METÁLICA (BRONZE)
LIGAS METÁLICAS METAIS =
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Alpaca (prata alemã)
FERROSAS NÃO FERROSAS
Apresentam o elemento
ferrocomo
constituinteprincipal.
Não apresentam o
elemento
ferrocomo
constituinte.
Classificações das LIGAS METÁLICAS
Liga na qual os átomos de um
metal são substituídos por
átomos de outro metal (o que só
é possível quando os raios
atómicos não diferirem em mais
de 15%).
Liga na qual os átomos de
soluto são tão pequenos que se
podem ajustar nos interstícios
do retículo. O raio atómico do
soluto deve ser inferior a 60% do
raio atómico do elemento
principal.
SUBSTITUCIONAIS INTERSTICIAIS
Barras de Aço
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DIFERENTES PROPRIEDADES NAS LIGAS METÁLICAS
As propriedades resultantes do processamento das ligas metálicas são
determinadas pelos metais fundidos nesse processamento, as composições de
cada metal na liga formada, pela estrutura do arranjo cristalino das ligas, pelo
tamanho dos cristais e pelos tratamentos adicionais que se podem realizar. A
variação destes fatores leva à formação de diversas composições de ligas
metálicas. Deste modo, as propriedades adquiridas tornam as ligas formadas, úteis
para cada aplicação específica.
A utilização, por exemplo, do elemento Ouro (Au) na
forma como é encontrado na natureza não é viável para
fabricar objetos consistentes, pois este elemento é mais
maleável que a grande maioria dos metais. Mas a adição do
elemento prata (Ag) e do elemento cobre (Cu) permite a
formação de uma ligação metálica, aumentando a dureza, e
possibilitando a utilização da liga Au+Ag+Cu para o fabrico de
jóias, anéis, pulseiras, relógios, etc. Esta liga metálica
formada é também conhecida por Ouro 18 quilates,
apresentando 75% de massa de ouro e 25% correspondentes
à prata e ao cobre.
Para fabricar materiais com maior resistência à deformação mecânica, é
necessário recorrer à ligação metálica entre metais.
O aço, por exemplo, é formado pelos elementos ferro (Fe) e carbono (C).
Esta liga tem uma elevada resistência mecânica, e por essa razão é
frequentemente utilizada na confecção de peças metálicas que sofrem tração
também elevada.
Uma utilização muito comum do aço inox é em
materiais cirúrgicos, por esta liga apresentar alta
resistência à oxidação (perda de eletrões por um dos
reagentes de uma reação oxidação-redução).
AUMENTO DA DUREZA
AUMENTO DA RESISTÊNCIA À DEFORMAÇÃO MECÂNICA
Jóia de Ouro
18 quilates
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APLICAÇÕES DAS LIGAS METÁLICAS
As alterações estruturais pela formação de ligas conduzem a importantes
modificações das propriedades originais do material, que encontram uma gama
variada de aplicações.
Tipo de liga Composição Aplicações
AÇOS Fe + C (0,2% - 2%) Construção civil, ferramentas
AÇO INOX Fe + Cr (+ Ni) Tubagem, utensílios, ferramentas
BRONZE Cu + Sn Peças para navios, escultura
CONSTANTAN Cu + Ni Resistências eléctricas
CUPRONÍQUEL Cu + Ni Tubagens, moedas
DURALUMÍNIO Al + Cu Indústria aeronáutica e automobilística
LATÃO Cu + Zn Construções metálicas, utensílios
NITINOL Ni + Ti Medicina, armação de óculos
OURO AMARELO Au + Ag + Cu Joalharia, cunhagem de moeda
SOLDA Pb + Sn Soldadura
NO DESPORTO…
ALUMÍNIO
AÇO
BRONZE
FERRO FUNDIDO
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A redução ocorre quando o estado de oxidação de um átomo ou ião diminui
A oxidação ocorre quando o estado de oxidação de um átomo ou ião aumenta
Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s)
Cu Cu2+ OXIDANTE REDUTOR
Zn (s) Zn2+ (aq) + 2e- Zn Zn2+ REDUTOR OXIDANTE
DEGRADAÇÃO DOS METAIS
O ferro e suas ligas são dos materiais mais importantes usados na atualidade.
Contudo, são materiais muito propensos à corrosão (degradação), porque a
ferrugem (óxidos de ferro) é porosa, deixando a superfície facilmente exposta à
continuada ação do ar e da água.
A oxidação e redução são processos químicos complementares, que
envolvem a perde de electrões por um dos reagentes (oxidação) e o
correspondente ganho de electrões por outro reagente (redução), decorrendo
em simultâneo e de tal forma, que o número de electrões libertados na oxidação
é igual ao número de electrões necessários na redução. Exemplo de uma reação
redox:
OXIDAÇÃO - REDUÇÃO
Reação em que ocorre transferência de electrões
REAÇÃO REDOX
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Na natureza, a maioria dos metais são sempre encontrados na forma de
óxidos, sulfuretos e hidróxidos.
A maioria dos metais tende a combinar-se com o oxigénio do ar, produzindo
os respectivos óxidos.
Este fenómeno de corrosão para alguns desses metais dá-se de forma lenta,
à temperatura ambiente. No entanto, existem outros metais, como o alumínio, por
exemplo, onde a corrosão é rápida, consequente da formação de uma camada
de óxido na superfície do alumínio que protege o metal do oxigénio e impede,
assim, a continuação do processo de corrosão.
A corrosão dá-se sobretudo pelo contacto dos metais com o ar húmido,
com ácidos, bases, sais, iões cloreto e outras substâncias sólidas e líquidas. Os
metais podem ainda sofrer corrosão quando expostos a materiais gasosos como
vapores ácidos, formaldeído gasoso, gás amoníaco e gases sulfurosos.
CORROSÃO DE COMPONENTES METÁLICOS
Processos químicos ou eletroquímicos que envolvem a deterioração e
degradação dos componentes metálicos
Sulfureto de sódio Óxido de Cobre Hidróxido de Ferro(II)
OXIDAÇÃO INDESEJÁVEL
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Representação da célula voltaica designada por PILHA DE DANIELL
Os únicos elementos necessários para originar o “fluido elétrico”, atualmente
designado por corrente elétrica, e que são os mesmos elementos que constituem
uma célula (pilha) galvânica ou célula (pilha) voltaica, são:
OXIDAÇÃO ÚTIL
PILHAS E BATERIAS
Dispositivos que convertem energia química em energia elétrica
Eletrólito
Dois metais diferentes
A representação atual da célula voltaica é constituída por dois
compartimentos separados, as semi - células, contendo, cada uma, um elétrodo e
uma solução de eletrólito.
Substância que, dissociada ou ionizada, origina
iões positivos e iões negativos, pela adição de
um solvente ou aquecimento.
Elétrodo de zinco
mergulhado numa
solução de sulfato de
zinco, com iões Zn2+
Elétrodo de cobre
mergulhado numa
solução de sulfato de
cobre (II), com iões
Cu2+
Os dois elétrodos
ligam-se através de um
fio condutor, onde se
pode intercalar o
voltímetro
PILHAS
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Quando se fecha o circuito, os eletrões deslocam-se, através do fio
condutor, do ânodo para o cátodo, e ocorrem as duas semirreações, uma em
cada um dos elétrodos:
Para que uma célula voltaica funcione, a solução, nas duas semicélulas,
deve manter-se eletricamente neutra.
ÂNODO
(polo -)
CÁTODO
(polo +)
Elétrodo (de Zn) onde se
realiza sempre a oxidação
Elétrodo (de Cu) onde se
realiza sempre a redução
A eletroneutralidade dos eletrólitos é assegurada pela
PONTE SALINA
Semiequação de oxidação
Equação global da reação
Semiequação de redução
Existem outros tipos de células
construídas sem ponte salina mas
com uma MEMBRANA POROSA,
que permite a passagem de iões.
Tubo fino que contém um gel de
ágar-ágar saturado com um sal,
vulgarmente KNO3,NaCl ou KCl.
Os iões negativos do sal migram
para a semicélula de zinco
Os iões positivos do sal migram
para a semicélula de cobre
A associação em série de duas ou mais
células é designada por bateria.
BATERIAS
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PILHAS NO QUOTIDIANO
PROTEÇÃO DE METAIS
As ligas resistentes à corrosão são usadas quando as condições
potencialmente corrosivas proíbem o uso de ligas de aço e a utilização de
revestimentos protetores é insuficiente ou economicamente inviável.
Quando o ambiente se torna potencialmente agressivo, usam-se as ligas à
base de níquel, titânio e de molibdénio que utilizam de uma forma mais genérica
nas refinarias, nos processos industriais, na indústria aeroespacial e militar.
PRIMÁRIAS
CONCENTRAÇÃO
COMBUSTÍVEL
SECUNDÁRIAS Pilhas que podem ser recarregadas se forem ligadas a
uma corrente elétrica
Células que necessitam de um electrólito que
transporte as partículas carregadas eletricamente de
um elétrodo para o outro, e um catalisador, que
aumente a velocidade das reações nos elétrodos. PILHAS DO FUTURO
Um dos processos de proteção dos metais contra a corrosão é a introdução na
liga de um elemento capaz de aumentar essa resistência.
PROTEÇÃO CATÓDICA PROTEÇÃO DE SUPERFÍCIE
Para que haja uma
proteção catódica, o
metal terá de estar
protegido por um
excesso de eletrões de
forma a ficar reduzido,
evitando assim a
oxidação na sua
superfície.
Células que uma vez descarregadas não podem ser
recarregadas
GALVANOPLASTIA ANODIZAÇÃO
Técnica que tem
como finalidade
o revestimento de
peças metálicas
ou não metálicas.
Baseia-se na realização
de uma eletrólise em
meio sulfúrico, onde
ocorre a conversão
superficial do alumínio
num filme anódico de
óxido de alumínio,
protetor do metal.
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A proteção catódica por ânodos de
sacrifício é uma técnica utilizada para proteger
uma substância de um ataque químico (corrosão).
Esta proteção baseia-se no facto de existir um
metal que possui potencial de corrosão mais baixo
e, como tal, ser corroído durante a reação.
Este tipo de proteção externa usa-se muito
quando o meio é a água do mar e os materiais
preferenciais para o ânodo são o zinco e o
magnésio.
Materiais mais vulgares para o ânodo deste tipo de proteção interna:
óxidos metálicos,
metais preciosos
aço inoxidável com elevado teor em silício
Tanto o ânodo da proteção catódica (fonte da corrente) como a estrutura
a proteger devem estar soterrados ou imersos num eletrólito eletricamente
homogéneo, de forma a completar o circuito: do ânodo através do eletrólito até
ao cátodo (estrutura) e voltando, através da estrutura, até ao ânodo.
Ânodo de sacrifício
Por corrente protetora
Obtenção de uma proteção catódica por ligação de um
metal a outro mais oxidável.
Aplicação de uma corrente elétrica no ânodo, de forma a
conduzir a superfície da estrutura a um estado elétrico tal
que se torna catódico em relação aos outros materiais.
Proteção catódica por corrente protetora numa tubagem subterrânea
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ELETRÓLISE
UMA REAÇÃO QUÍMICA FORÇADA
ELETRÓLISE DA ÁGUA
Célula eletrolítica
Fonte de energia
Elétrodos
Eletrólito
do grego… electro lýsis decomposição pela eletricidade
Reação química mediante a qual
há decomposição de um
composto diluído ou fundido por
meio de um campo elétrico
(corrente contínua).
ENERGIA ELÉTRICA
ENERGIA QUÍMICA pilha
eletrólise
Um dos exemplos mais correntes de eletrólise
é a reação de decomposição da água. A água
pura não conduz corrente elétrica uma vez que as
concentrações de iões H+ (aq) e HO- (aq) são
muito baixas (1,0 x10-7 mol/dm3, a 25ºC). No
entanto, na presença de um electrólito, por
exemplo, um ácido, a água pode ser
decomposta.
Qualquer que seja o eletrótilo, há várias
hipóteses de oxidação anódica e de redução
catódica. Em qualquer das situações prevalecerá:
a redução do oxidante mais forte
a oxidação do redutor mais forte
Ânodo - oxidação
Cátodo - redução
Equação global
2 H2O (l) 4 H+ (aq) + 4 e- + O2 (g)
2 H+ (aq) + 2 e- H2 (g)
2 H2O (l) 2 H2 (g) + O2 (g)
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APLICAÇÕES INDUSTRIAIS DA ELETRÓLISE
Processos industriais de revestimentos de uma
peça passível de corrosão que dão uma boa
resistência aos ataques químicos.
= CÉLULA VOLTAICA CÉLULA ELETRÓLITICA
NIQUELAGEM E ZINCAGEM
ANODIZAÇÃO DO ALUMÍNIO Processo eletroquímico que transforma a
superfície do alumínio em óxido de alumínio.
A camada aplicada (revestimento) não
apresenta porosidades, o que favorece a
ausência de corrosão.
A camada anódica não resulta de uma
deposição dos produtos que constituem o
revestimento mas sim da transformação do
próprio metal no seu óxido.
