QM-1123 Tema 10. Metales

Química General III. Tema 10. Metales
Características de los metales.
- Conductores de electricidad y calor. Dúctiles y maleables. Poseen lustre
metálico. Forman cationes en disolución acuosa. Sus óxidos generalmente son
básicos.
- Más de ¾ partes de los elementos son metales.
- Mayoría proviene de los minerales.
Mineral: es una sustancia de origen natural, con una composición química
característica, dentro de cierto intervalo.
Mena: depósito mineral del cual se puede extraer el metal deseado.
Metales más abundantes
Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti y Mn.
Mar: Na+, Mg2+ y Ca2+.
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Metalurgia:
ciencia y tecnología de la separación de los metales a partir de
sus menas y aleaciones.
Aleación:
es una disolución sólida de dos o más metales, o de un metal o
metales con uno ó mas no metales.
- La preparación de la mena.
- Producción del metal.
- Purificación del metal.
Obtención de metales
Preparación de la mena.
Separar
Tratamiento preliminar
materiales de desechos (Ganga)
(arcillas y silicatos)
Uno de los métodos
Flotación
vierte agua que contiene aceite y detergentes
Moler mena
Agitación de la mezcla
e inyección de aire
espuma
moja
Aceite
van
partículas de
mineral
ganga
a la superficie
deposita en el fondo
romper
Al separar la espuma
se seca y recuperan las partículas de mineral
emulsión
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Ferromagnetismo
separar el Mineral de la Ganga.
Permite
magnetita
Separar
utilizando un fuerte electroimán
Fe3O4
Otro metal ferromagnético es el Cobalto.
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Otro proceso
Amalgama
una aleación de Hg con otro metal ó metales.
Hg
Mena Ag ó Au
disuelve Ag ó Au
amalgama líquida
separar
obtienen
Au ó Ag
destila el
líquido
Mena
Producción de metales.
Metales se encuentran
como cationes generalmente
en la naturaleza.
obtención
Reducción
eliminar
Mena debe ser
pretratada
compuestos
sulfuros
volátiles ó convertir carbonatos
óxidos
reducir
Metales puros
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CaCO3(s)
CaO(s) + CO2(g)
2PbS(s) + 3 O2(g)
2PbO(s) + SO2(g)
Procesos de reducción de algunos metales comunes
Metal
Proceso de reducción.
Li, Na, Mg, Ca
Reducción electrolítica del cloruro fundido.
Al
Reducción electrolítica del óxido anhidro (en criolita
fundida).
Cr, Mn, Ti, V, Fe, Reducción del óxido metálico con un metal más
Zn
electropositivo, o reducción con coque y CO.
Hg, Ag, Pt, Cu, Au Estos metales se encuentran en estado libre ó pueden
obtenerse por tostado de sus sulfuros.
Pirometalurgia
procesos que se llevan a cabo a altas temperaturas.
Reducción
medios químicos ó electroquímicos
Reducción química.
Puede emplear como agente reductor un metal más electropositivo para
separar este a partir de sus compuestos a altas temperaturas.
V2O5(s) + 5Ca(l)
2V(l) + 5CaO(s)
TiCl4(g) + 2 Mg(l)
Ti(s) + 2MgCl2(l)
Cr2O3(s) + 2Al(s)
2Cr(l) + Al2O3(s)
3Mn3O4(s) + 8Al(s)
2Mn(l) + 4Al2O3(s)
También se puede
emplear H2
WO3(s) + 3H2(g)
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W(s) + 3H2O(g)
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Reducción electrolítica.
Empleada
metales muy electropositivos (Na, Mg, Al).
2MO(l)
2M(cátodo) + O2(ánodo)
2MCl(l)
2M(cátodo) + Cl2(ánodo)
Metalurgia del Fe.
Minerales Fe
FeS2(pirita), FeCO3(siderita), Fe2O3 (hematita)
y Fe3O4(magnetita).
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Etapas cruciales:
3Fe2O3(s) + CO(g)
Fe3O4(s) + CO(g)
FeO(s) + CO(g)
Piedra caliza
CaCO3(s)
2Fe3O4(s) + CO2(g)
3FeO(s) + CO2(g)
Fe(l) + CO2(g)
CaO(s) + CO2(g)
CaO(s) + SiO2(s)
CaO(s) + Al2O3(s)
Usa para reaccionar
con las impurezas
CaSiO3(l)
Ca(AlO2)2(l)
mantiene
Mezcla de silicato y
aluminato
conoce
fundido en el Horno
ESCORIA
queda
separarlos
Fe metálico
Hasta 5 %
Hierro
Flotando sobre
Fe(l)
granular y quebradizo
bajo pto fusión. Moldeable.
hierro colado
Impurezas
Manufactura del acero.
superior
En USA consumo anual
aleación
Acero
100 millones de Ton.
pequeñas
Fe (0.03-1.4 % C)
otros elementos
cantidades
acero
Fe
Impureza
Proceso oxidación de impurezas indeseables
Si y P agregar CaO
SiO2(s) + CaO(s)
CaSiO3(l)
P4O10(l) + CaO(g)
Ca3(PO4)2(l)
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Proceso básico
con O2
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Mn (impureza)
MnO(s) + SiO2(s)
Alcanzar
Muestrear
A intervalos
MnSiO3(l)
obtenida
composición
deseada
se vierte el recipiente
composición
Propiedades del
Acero dependen
3Fe(s) + C(s)
Producir
Mezcla original
tratamiento
Fe3C(s) (cementita)
Enfriar rápidamente la mezcla
cementita
Acero color claro y más duro y quebradizo que el acero al grafito.
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Acero
Templado
Calentado
producir
enfriado bruscamente
propiedades mecánicas
aceros distintas
Distintas proporciones de C y Cementita producen aceros con
propiedades distintas.
Purificación de Metales.
Métodos:
- Destilación.
- Electrolisis.
- Refinación por zonas.
Destilación
Hg, Mg, Zn
Metales bajo
Pto fusión
separar por destilación fraccionada.
empleado
Método Mond
Ni
70 °C
Ni(s) + 4CO(g)
Ni(CO)4
Ni(CO)4(g) (p.ebu = 43 °C)
Ni(s) + 4CO(g)
200 °C
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Electrolisis
tostación
CuS
Cu + impurezas (Zn, Fe, Ag, Au)
Ánodo (metal impuro)
Cátodo (metal puro)
Electrolisis de Cu
pasan a la disolución
Impureza Fe y Zn (ánodo)
no se reducen en el cátodo.
No se oxidan
Au y Ag (ánodo)
precipitan en la solución
Cu2+(ac) + 2 e-
Ánodo:
Cu(s)
Cátodo:
Cu2+(ac) + 2e-
Cu(s)
Obtener Cu con una pureza de 99.5 %.
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Refinación por zonas.
impurezas
Varilla Metálica
pasada a través de una espiral eléctrica caliente
funde
impurezas
disuelven en el metal
Metal
al pasar la espira
Impurezas
se arrastran hacia los extremos de la barra
Corta extremo
Metal pureza 99.99 %.
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Teoría de bandas de conductividad.
Teoría de bandas
e- deslocalizados se mueven libremente a través
de las bandas que se forman por el solapamiento
de los orbitales moleculares.
Los niveles energéticos llenos (3s)
Los niveles vacíos (3p)
banda de valencia
banda de conducción
Banda de valencia y conducción
adyacentes entre sí
banda
conducción
banda
valencia
explica
conducción eléctrica en los metales.
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epasar fácilmente
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Semiconductores.
a elevadas
temperaturas
no
Semiconductores
conductores
conductores
son generalmente
combinan
pequeñas cantidades
de ciertos elementos
Si y el Ge
empleados como Semiconductores.
menor
Espacio entre banda
Valencia y conducción
Aislante
pasar
Suministrar Energía
banda de valencia a la banda de conducción
e-
pequeñas
Semiconductores
dopado
impurezas
añade
Si
trazas de P
semiconductor tipo n
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(negativo)
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mezcla
2
2
Si [Ne]3s 3p
P [Ne]3s23p3
hay 1 e- más de valencia
separar
Aplicar un V a través del sólido
efunción
conducción electrón
Impurezas
se mueve a través de la estructura
donadoras
proporciona e- conducción
ocurre
Añades B al Si
caso contrario
B 1s22s22p1
el cristal de Si con un “hueco” en un orbital de unión
queda
Si
Excitar 1e-
hueco
al orbital vacío B
llenado
Si
por otro e- de Si vecino
crea una cadena
una
mueven
e- mueven
y los “huecos”
dirección opuesta
dirección
sólido convierte
conductor eléctrico
impurezas
Impurezas
Deficientes e-
aceptoras
conductores tipo p
(positivo)
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pyn
Semiconductores
Con poca energía
separación energética de la banda de conducción y
banda de valencia es pequeña.
pasar e- de la banda de valencia a la banda de
conducción.
Muy empleados en la Industria Electrónica.
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