Tema 7. Introducción a los elementos metálicos y Metalurgia. El enlace en los metales. Conductores y semiconductores. Los metales en la naturaleza. Preparación de la mena. Producción de los metales. La metalurgia del hierro. Manufactura del acero. Purificación de metales. 1
Metales y no metales No metales Metales Propiedades físicas Malos cond. Electricidad Buenos cond. Electricidad No son dúctiles Dúctiles No son maleables Maleables Sin brillo Brillo metálico Sólidos, líquidos o gaseosos Sólidos Bajos puntos de fusión Altos puntos de fusión Malos conductores del calor 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? 2
No Metales Metales 3
Qué es un metal? Brillo metálico Si y I tienen superficies muy brillantes y no son metales Minerales como la pirita (FeS 2 ) también tienen brillo metálico 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 Dureza elevada Los metales alcalinos son muy blandos. Maleabilidad y Ductilidad Algunos metales de transición son quebradizos 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 No metales: la conductividad eléctrica aumenta con la temperatura Criterio químico Metales: tienden a perder electrones para formar especies catiónicas 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) 5
No metales Metales Metales de la primera serie de transición en orden: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 6
El enlace en los metales Cualquier modelo de enlace debe dar cuenta de las propiedades de los metales 7
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 8
El enlace metálico. Empaquetamiento compacto Los átomos se sitúan los mas cerca posible. Primera capa Segunda capa Tetraédrico Octaédrico 9
REDES METÁLICAS COMPACTAS Tercera capa A ABA Empaquetamiento hexagonal compacto(hcp) ABC Empaquetamiento cúbico compacto(ccp) C 10
El enlace metálico E n e r g í a Antienlace Enlace band a 11
La conducción en los metales y la teoría de bandas Aislante No conductor Semiconductor P Semiconductor N 12
Los metales en la naturaleza: minerales 13
Los metales en la naturaleza: minerales Metales nativos Carbonatos Ag, Au, Bi, Cu, Pd, Pt BaCO 3 (witberita), CaCO 3 (calcita, piedra caliza), MgCO 3 (magnesita), CaCO 3, MgCO 3 (dolomita), PbCO 3 (cerusita), ZnCO 3 (smithsonita) Halogenuros CaF 2 (fluorita), NaCl (halita), KCI (silvita), Na[AlF 6 ] (criolita) Óxidos Al 2 O 3 2H 2 O(bauxita), Al 2 O 3 (corindón), Fe 2 O 3 (hematita) FO 3 O 4 (magnetita), Cu 2 O (cuprita), MnO 2 (pirolusita), Sn0 2 (casiterita), TiO 2 (rutilo), Fosfatos ZnO (zincita) Ca 3 (PO 4 ) 2 (roca fosfórica), Ca 5 (PO 4 ) 3 OH (hidroxiapatita) Silicatos Be 3 Al 2 Si 6 O l8 (Berilo), ZrSiO 4 (zircón), NaAlSi 3 O 8 (albita), Mg(Si 4 O 1o )(OH) 2 (talco) Sulfuros AgS (argentita), CdS (grenoquita), Cu 2 S (calcocita), FeS 2 (Pirita), HgS (cinabrio), PbS (galena), ZnS (esfalerita) Sulfatos BaSO 4 (Barita), CaSO 4 (anhidrita), PbSO 4 (anglesita), SrSO 4 (celestita), MgSO 4 7H 2 O (epsomita) 14
Los metales en la naturaleza: minerales y su localización geográfica 15
Trituración del mineral Preparación de los minerales Trituración del mineral Tamizado del mineral 16
Enriquecimiento de minerales SEPARADOR MAGNÉTICO ALIMENTACIÓN CICLÓN Rotación Cilindro Descarga del concentrado magnético Imanes Salida del material no magnético 17
SEPARADOR POR FLOTACIÓN 18
Obtención de Metales Metal Litio, sodio, magnesio, calcio Aluminio Cromo, manganeso, titanio, vanadio, hierro y zinc Mercurio, plata, platino, oro Proceso de reducción 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 tostación de sus sulfuros 19
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. 20
Obtención de hierro Alimentación de mineral, carbón y otros Aire comprimido y caliente Escoria Hierro fundido 21
Obtención de acero Método Bessemer 22
Obtención de acero Acero al oxígeno Tipos de acero Composición (porcentaje en masa)* Tipo C Mn P S Si Ni Cr Otros Plain 1.35 1.65 0.04 0.05 0.06 - Cu(0.2-0.6) Herramientas, productos laminados Righ-strength Righ-stren 0.25 1.65 0.04 0.05 0.15-0.9 0.4-1.0 0.3-1.3Cu(0.01-0.08) Construcción,turbinas de vapor. Inoxidable 0.03-1.2 1.0-10 0.04-0.06 0.031-3 1-22 4.0-27 Utensilios de cocina, navajas de rasurar. 23
Refino de metales Electrolisis Destilación Fusión por zonas 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 Horno Zona fundida Barra de Silicio Impurezas Cátodo Ánodo Barros anódicos 24