Tema 10. Introducción a los elementos metálicos y Metalurgia. El

Tema 10. Introducción a los
elementos
metálicos
y
Metalurgia. El enlace en los
metales.
Conductores
y
semiconductrores. Los metales
en la naturaleza. Preparación
de la mena. Producción de los
metales. La metalurgia del
hierro. Manufactura del acero.
Purificación de metales.
Acero
Cobre
Latón
Aluminio
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Metales y no metales
No metales
Propiedades físicas
Malos cond. Electricidad
No son dúctiles
No son maleables
Sin brillo
Sólidos, líquidos o gaseosos
Bajos puntos de fusión
Malos conductores del calor
Metales
Buenos cond. Electricidad
Dúctiles
Maleables
Brillo metálico
Sólidos
Altos puntos de fusión
Buenos conductores del calor
Propiedades Químicas
No reaccionan con ácidos
Reaccionan con ácidos
Forman óxidos ácidos
Forman óxidos básicos
Forman aniones
Forman cationes
Forman haluros covalentes
Forman haluros iónicos
¿Definen estas propiedades de modo unívoco un metal?
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No Metales
Metales
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¿Qué es un metal?
1. Brillo metálico
Si y I tienen superficies muy brillantes y no son metales
Minerales como la pirita (FeS2) también tienen brillo metálico
2. Densidad elevada
Enorme variabilidad: La densidad del Li es la mitad de la del agua y la del Os
es 40 veces la del Li
3. Dureza elevada
Los metales alcalinos son muy
blandos.
4. Maleabilidad y Ductilidad
Algunos metales de transición son
quebradizos
5. Alta conductividad térmica
Aún siendo común entre los metales,
sin embargo el C(diamante) tiene una
de las conductividades térmicas más
importantes
.
4
Definición estricta de metal
La propiedad que mejor define un metal es la
elevada conductividad eléctrica tridimensional
El C( grafito) tiene una elevada conductividad
bidimensional, T<18ºC el Sn no conduce la
electricidad. A presiones fáciles de alcanzar, el I
es conductor de la electricidad.
Criterio físico
Metales: la conductividad eléctrica
disminuye con la temperatura
Criterio químico
Metales: tienden a perder electrones
para formar especies catiónicas
No
metales:
la
conductividad
eléctrica aumenta con la temperatura
No metales: tienden a ganar
electrones para formar especies
aniónicas
Sea cual sea el criterio elegido siempre quedan algunos elementos en la
región limítrofe: semimetales (B, Si, Ge y Te)
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No metales
Metales
Metales de la
primera serie de
transición en
orden:
Sc, Ti, V, Cr, Mn,
Fe, Co, Ni, Cu, Zn
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El enlace en los metales
Cualquier modelo de enlace debe dar cuenta de las propiedades de los metales
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Se puede describir al metal como una red
de iones positivos en un mar de
electrones
• Los electrones no están unidos a ningún ion
particular y son móviles: explica la conductividad eléctrica.
• Al no estar enlazados a ningún átomo, no están limitados en su
capacidad de absorber fotones de luz visible.
• Los electrones de la superficie son capaces de irradiar luz de la misma
frecuencia que la luz incidente: brillo
• Por efecto de presión externa, se puede desplazar una capa de iones
metálicos pero la estructura interna permanece inalterada y el mar de
electrones se reajusta rápidamente: maleabilidad y ductilidad
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El enlace metálico. Empaquetamiento compacto
• Los átomos se situan los mas cerca posible.
Primera capa
Segunda capa
Tetraédrico
Octaédrico
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REDES METÁLICAS COMPACTAS
Tercera capa
A
ABA Empaquetamiento hexagonal compacto(HCP)
ABC Empaquetamiento cúbico compacto(CCP)
C
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REDES METÁLICAS COMPACTAS(3)
ABA Empaquetamiento hexagonal compacto(HCP)
ABC Empaquetamiento cúbico compacto(CCP)
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El enlace metálico
banda
Energía
Antienlace
Enlace
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La conducción en los metales y la teoría de bandas
Aislante
∆E << KT
No conductor
Semiconductor P
∆E ≈ KT
Semiconductor N
∆E>> KT
13
Los metales en la naturaleza: minerales
14
Los metales en la naturaleza: minerales
Metales nativos
Carbonatos
Halogenuros
Óxidos
Fosfatos
Silicatos
Sulfuros
Sulfatos
Ag, Au, Bi, Cu, Pd, Pt
BaCO3 (witberita), CaCO3 (calcita, piedra caliza),
MgCO3 (magnesita), CaCO3, MgCO3 (dolomita), PbCO3
(cerusita), ZnCO3 (smithsonita)
CaF2 (fluorita), NaCl (halita), KCI (silvita), Na[AlF6]
(criolita)
Al2O32H2O(bauxita), Al2O3 (corindón), Fe2O3 (hematita)
FO3O4 (magnetita), Cu2O (cuprita), MnO2 (piro1usita),
Sn02 (casiterita), TiO2 (rutilo), ZnO (zincita)
Ca3(PO4)2 (roca fosfórica), Ca5(PO4)30H (hidroxiapatita)
Be3Al2Si6Ol8 (Berilo), ZrSiO4 (zircón), NaAlSi3O8 (albita),
Mg(Si4O1o)(0H)2 (talco)
AgS (argentita), CdS (grenoquita), Cu2S (calcocita),
FeS2 (Pirita), HgS (cinabrio), PbS (galena), ZnS
(esfalerita)
BaSO4 (Barita), CaSO4 (anhidrita), PbSO4 (anglesita),
SrSO4 (celestita), MgSO4 7H20 (epsomita)
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Los metales en la naturaleza: minerales y su localización geográfica
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Preparación de los minerales
Trituración
del mineral
Tamizado
del mineral
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Enriquecimiento de minerales
SEPARADOR MAGNÉTICO
ALIMENTACIÓ
CICLÓN
Rotación
Cilindro
Descarga del
concentrado
magnético
Imanes
Salida del material no magnético
SEPARADOR POR FLOTACIÓN
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Obtención de Metales
Metal
Proceso de reducción
Litio, sodio, magnesio, calcio
Aluminio
Reducción electrolítica del cloruro fundido
Reducción electrolítica del óxido anhidro (en criolita
fundida)
Reducción del óxido metálico con un metal mas
electropositivo, o reducción con coque y monóxido de
carbono
Estos metales se encuentran en estado libre (nativos) o
pueden obtenerse por tostacióm de sus sulfuros
Cromo, manganeso, titanio,
vanadio, hierro y zinc
Mercurio, plata, platino, oro
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Calores de reacción de diferentes óxidos y diagrama de Ellingham simplificado que recoge
la variación de energía libre de Gibss en función de la temperatura para algunos de ellos.
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Obtención de hierro
Alimentación de mineral, carbón y otros
Reacciones que ocurren a
diferentes temperaturas
Aire comprimido y caliente
Escoria
Hierro fundido
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Obtención de acero
Metodo Bessemer
Escoria
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Obtención de acero
Acero al oxígeno
Escoria
Tipos de acero Composición
(porcentaje en masa)*
Tipo
C
Mn
P
S
Si
Ni
Plain
0.04
0.05
0.06 -
-
0.04
0.05
0.15-0.9
0.4-1.0
0.3-1.3Cu(0.01-0.08)
1-22
4.0-27
Utensilios de cocina,
1.35
1.65
Cr
Otros
Cu(0.2-0.6)
Herramientas, productos laminados
Righ-strength
0.25
1.65
Construcción,turbinas de vapor.
Inoxidable
0.03-1.2
1.0-10
0.04-0.06 0.031-3
navajas de rasurar.
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Refino de metales
Electrolisis
Destilación
• Destilación. Los metales
que tienen bajos puntos de
ebullición,
como
el
mercurio, el magnesio y el
zinc, se pueden separar de
otros
metales
por
destilación fraccionada
Fusión por zonas
Horno
Zona fundida
Barra de Silicio
Impurezas
Cátodo
Ánodo
Barros anódicos
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