Metal

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Metal, concretamente hierro .

Un metal es un material conductor de calor y electricidad [1] , capaz de reflejar la luz (dando lugar así al llamado brillo metálico ), que puede ser atacado por ácidos (con el desarrollo de hidrógeno ) y por bases , a menudo con buenas características de resistencia mecánica ; los metales (especialmente los del primer y segundo grupo ) también pueden ser atacados por el agua, que despoja de sus electrones de valencia, dando hidrógeno a través de una reacción exotérmica ; además, los metales se funden cuando se someten a calor.

Los metales son elementos químicos , que constituyen una de las tres categorías en que se dividen estos elementos, junto con el de los semimetales y el de los no metales ; la expresión material metálico se refiere a un material que contiene metales o aleaciones; sobre la base de sus propiedades químicas, los metales pueden dar lugar a óxidos básicos (por ejemplo: Na 2 O, CaO), o a anhídridos, es decir, óxidos ácidos (por ejemplo: V 2 O 5 , Mn 2 O 7 ); Hay varios tipos de metales, descubiertos en épocas lejanas en el tiempo, porque muy pocos metales están disponibles en la naturaleza en el estado nativo y porque cada metal tiene su propia temperatura de fusión particular que hace que sea más o menos fácil extraerlo de las rocas que contenerlo; los primeros metales históricamente trabajados ( cobre y estaño ) tienen naturalmente una temperatura de fusión relativamente baja, ya obtenible con los antiguos hornos de hace unos 10.000 años (una época en la que, presumiblemente, comenzó el procesamiento del cobre).

Historia

La fragua de Hefesto (detalle del Parnassus de Andrea Mantegna ), señor de la metalurgia, interpretada por la mitología en clave mágica como la capacidad de manipular el espíritu que contienen. [2]

Los metales han ejercido una influencia significativa en la historia de la humanidad, cuyas épocas de desarrollo han estado marcadas de vez en cuando por la vigente en cada uno de ellos, como la Edad del Hierro , la Edad del Cobre , etc. [3]

En la antigüedad, en el contexto de la teoría de los cuatro elementos típicos de la filosofía de la naturaleza , se consideraba que los metales pertenecían al elemento tierra , pero a diferencia de los materiales terrestres normales, como piedras y cristales, también se consideraba que participaban en las cualidades del fuego debido a su brillo y transmisibilidad calórica . [4] La alquimia estudió sus propiedades, incluso las simbólicas, rastreando cada una de ellas hasta un primer principio , y descubriendo un vínculo con los siete planetas entonces conocidos por la astrología , de los cuales se encontró como las diferentes velocidades angulares con las que el desplazamiento en el cielo corresponde a la diferencia de conductividad de los metales relacionados. [5] Cada planeta se colocó así para gobernar un metal particular de acuerdo con las siguientes combinaciones: Sol - oro ( Símbolo del sol.svg ), Luna - plata ( Símbolo de la luna ), Mercurio - mercurio ( Símbolo de mercurio.svg ), Venus - cobre ( Venus symbol.svg ), Marte - hierro ( Mars symbol.svg ), Júpiter - estaño ( Símbolo de Júpiter.svg ), Saturno - plomo ( Saturno symbol.svg ). [6] La simbología astrológica todavía se usa hoy en día para marcar estos siete metales. [7]

Posteriormente, los alquimistas árabes y medievales llegaron a la enseñanza de que todos los metales del mundo sublunar estaban compuestos, en un sentido metafórico, del principio masculino del azufre , responsable de la facultad combustible, y del principio femenino del mercurio , su arquetipo. madre y portadora de la liquidez, volatilidad y capacidad de fusión características. La posibilidad de una evolución personal del alquimista se colocó en analogía con la creencia de que todos los metales presentes en las entrañas de la tierra estaban destinados a convertirse en oro , mediante las transmutaciones apropiadas, combinaciones de calor y eliminación de desechos. [8]

Paracelso en el siglo XVI también añadió sal al azufre y al mercurio como tercer principio de las transmutaciones alquímicas de metales, estabilizador de los dos primeros. [9] Uno de los primeros textos sistemáticos sobre las artes de la minería y la siderurgia data del mismo período, De la pirotechnia de Vannoccio Biringuccio , quien en 1540 realizó un estudio sobre la fundición y trabajo de los metales.

Dieciséis años más tarde, Georgius Agricola publicó De re metallica , un relato relevante y completo de la profesión minera del siglo XVI , la metalurgia y las artes y ciencias accesorias de la industria química.

Descripción

Definición

Es particularmente complejo definir químicamente qué es un metal. [10] En general, la definición de metal se refiere a elementos químicos. Sin embargo, como también reconoce la IUPAC, el término también se ha utilizado convencionalmente para indicar aleaciones formadas por elementos metálicos. [11]

Un vocabulario de conceptos de química orgánica establece que el metal podría definirse como: a) cualquier elemento que genera cationes cuando su sal se solubiliza en agua, ob) cualquier elemento con alta conductividad, ductilidad y maleabilidad eléctrica y térmica. [12] Un informe técnico de la IUPAC de 2002 citó como definición de metal la propuesta por Atkins y Jones según la cual un metal es un "elemento [químico] que conduce electricidad, tiene un brillo metálico, es maleable y dúctil, forma cationes y elementos básicos óxidos ". [13] De manera similar, la enciclopedia Treccani aplica la definición de metal solo a los elementos químicos sobre la base de las propiedades físico-químicas propuestas por Atkins y Jones. [14]

Características cristalográficas

Celda elemental Número de átomos por celda unitaria Número de coordinación Factor de empaquetamiento atómico
CCC 9 8 0,68
CFC 14 12 0,72
CE 17 12 0,72

Los metales son policristales , es decir, son sólidos formados por numerosos cristales microscópicos denominados cristalitos (también llamados "granos" en el campo metalúrgico) que se forman cuando los metales en estado líquido se enfrían de forma controlada. Las dimensiones de los granos son una imagen de la velocidad a la que tiene lugar el proceso de enfriamiento y sus bordes representan una importante zona de discontinuidad en la estructura metálica.

La disposición espacial de los átomos metálicos es la típica de los sólidos cristalinos , es decir, los átomos están dispuestos según una disposición geométrica regular que se repite indefinidamente en las tres dimensiones espaciales (red cristalina). Para cada celosía cristalina es posible identificar una celda elemental , que es la parte más pequeña del cristal que, repetida en el espacio mediante traslaciones, forma todo el cristal. Las celdas elementales más comunes en el caso de los metales son:

Defectos del cristal

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: defectos de cristal .

La repetitividad de la estructura cristalina de un metal se interrumpe localmente por defectos que pueden ser de diversa índole.

  • Defectos puntuales : son las vacantes ocasionales (cuya concentración depende de la temperatura según un enlace exponencial), los átomos sustitutivos o intersticiales (especialmente cuando en soluciones sólidas la diferencia en el tamaño de los elementos componentes es considerable), los átomos autointersticiales ( en el caso de átomos iguales a los de la celosía), los defectos de Frenkel (un ion positivo abandona su posición de celosía, creando así una vacante catiónica , para ir a formar un ion intersticial) y de Schottky (par de una vacante aniónica y catiónica en un iónico sólido).
  • Defectos de línea : separan las partes que han sufrido el deslizamiento de otras que no. Acumulan tensión y como resultado de la aplicación de esfuerzos tienden a multiplicarse. Se llaman dislocaciones .
  • Defectos superficiales : es decir, los límites de grano en los que la orientación de los planos de celosía cambia completamente de un grano a otro.
  • Defectos de volumen : irregularidades en la secuencia ordenada de planos cristalinos en el metal.

Dado que estos defectos influyen en gran medida en el comportamiento metálico, son extremadamente importantes para la metalurgia .

Propiedades mecánicas

Ensayo de tracción : la deformación es primero elástica, luego plástica, finalmente hay fluencia y falla de la probeta. El fallo de la probeta en este caso es de tipo dúctil.

Sometido a una tensión creciente, el metal inicialmente se deformará linealmente según la ley de Hooke , por lo tanto de forma elástica: al cesar la tensión que se le aplica, el metal volverá a su forma original.

El aumento de la tensión más allá de un cierto límite impondrá posteriormente una deformación plástica irreversible acompañada de un endurecimiento por trabajo, es decir, de un aumento progresivo del límite elástico del material y del valor de la tensión de rotura. Si el valor teórico de la energía necesaria para deformar plásticamente una muestra es considerablemente mayor que el realmente necesario, esto se debe a la presencia, en realidad, de dislocaciones , es decir, discontinuidades de línea en la estructura cristalina que, según la forma, se denominan tornillo, canteado o mixto.

Dependiendo de la naturaleza del metal, puede sufrir fracturas dúctiles o frágiles . En el primer caso, el metal se deforma significativamente en el campo plástico, hay un retorcimiento debido a los micro-vacíos creados y la superficie de fractura tendrá una forma característica de copa cónica. En el segundo caso, la fractura es repentina en cuanto se supera el límite elástico, y la superficie de fractura es perpendicular a la dirección de la tensión, con un aspecto brillante y cristalino.

Ilustración del gas de electrones: Los electrones del metal pueden moverse libremente en la red de núcleos.

Propiedades eléctricas y térmicas

Los metales tienden a ceder fácilmente sus electrones de valencia y a no retenerlos en exceso para alcanzar la configuración electrónica de los gases nobles : es decir, tienen una baja energía de ionización y una escasa afinidad electrónica . [1] Cuando múltiples átomos de metal se agregan para formar una estructura cristalina, los electrones de enlace se comparten entre todos los participantes, lo que resulta en orbitales moleculares deslocalizados en todo el sólido. La deslocalización electrónica y la gran cantidad de objetos presentes ayudan a mantener juntos los iones constituyentes, incluso si la energía de enlace por átomo no es muy alta; al mismo tiempo, da lugar a la superposición de las bandas de energía, lo que permite que las cargas se muevan libremente dentro del metal. Por eso hablamos de gas de electrones y el tipo de enlace que se forma entre los átomos se llama enlace metálico . La disponibilidad de muchas cargas gratuitas explica bien la excelente conductividad eléctrica y térmica, junto con la propiedad de absorber y / o reflejar la luz, que es válida incluso para capas muy delgadas de unas pocas decenas de átomos.

Propiedades químicas

Los metales de la tabla periódica exhiben un comportamiento químico similar dependiendo del grupo al que pertenecen. Se dividen en: metales alcalinos (grupo 1), metales alcalinotérreos (grupo 2), metales de transición (grupos 4 a 12), metales de bloque p (grupos 13 a 15). Los lantánidos y actinoides también se consideran metales. La mayoría de los elementos químicos metálicos se encuentran en la zona de transición y se caracterizan por tener un peso atómico medio o medio-alto.

Moviéndonos de derecha a izquierda y de arriba a abajo en la tabla periódica, pasamos a los metales con energía de ionización y peso atómico gradualmente decrecientes. Por esta razón los elementos metálicos ubicados en la parte inferior derecha son los más pesados ​​y generalmente se encuentran en la naturaleza en estado metálico por ser menos reactivos, mientras que los metales ubicados a la izquierda de la tabla periódica, los más livianos, pueden ser llevados al estado metálico solo con dificultad, generalmente por reducción electrolítica, porque son altamente reactivos. [dieciséis]

La mayoría de los metales tienden a oxidarse espontáneamente en el aire atmosférico y los óxidos que se forman son generalmente básicos. El proceso puede llevar mucho tiempo para algunos metales, mientras que para otros incluso puede tener lugar con la producción de llama, especialmente si se reduce a polvo. Estos metales se denominan combustibles y entre ellos encontramos cromo, titanio, aluminio, magnesio, zinc y vanadio. [17] En algunos metales, como el aluminio, tiene lugar la pasivación , es decir, se forma una capa de óxido en la superficie expuesta a los agentes atmosféricos que evita que el oxígeno alcance y oxide las capas metálicas subyacentes.

Algunos metales (en particular cromo , manganeso , molibdeno y vanadio ), cuando adquieren índices de oxidación muy elevados, forman óxidos con un comportamiento puramente ácido y, en consecuencia, pueden formar sales ternarias. Algunos ejemplos son:

Clasificación de metales

Clasificación química

Los metales se pueden clasificar según su comportamiento químico. En este caso encontramos las agrupaciones típicas de la tabla periódica: metales , metales alcalinos , metales alcalinotérreos, metales de transición , metales lantánidos y metales actinoides .

Metales ligeros, pesados ​​y superpesados

Una clasificación muy utilizada es la que distingue entre metales ligeros, pesados ​​y superpesados. Sin embargo, no existe una definición estricta de estos tres grupos por parte de la IUPAC u organismos similares. En numerosos artículos y publicaciones científicas, los términos "ligero", "pesado" y "superpesado" se utilizan sin dar una definición clara o se dan definiciones contradictorias basadas en la densidad, el peso atómico u otras propiedades químicas. [11] Por ejemplo, mientras que muchos libros hablan de metales como el bario , lantano y cerio como metales pesados, [18] algunos artículos hablan de los mismos elementos que los metales superpesados. [19]

Una rueda de automóvil hecha de aleación de aluminio, una aleación ligera.

En metalurgia, se denominan metales ligeros a aquellos elementos que se pueden utilizar en combinación con otros materiales para hacerlos más ligeros conservando sus buenas características estructurales, denominadas aleaciones ligeras . Los metales ligeros son aluminio , magnesio , berilio y titanio . [20]

Icono de lupa mgx2.svg El mismo tema en detalle: Heavy metal .
Bloques de plomo utilizados para proteger material radiactivo. El plomo se considera un metal pesado.

El adjetivo pesado se asocia a menudo con el concepto de toxicidad (probablemente debido a la expresión envenenamiento por metales pesados ), aunque la densidad de un metal en sí no tiene un vínculo directo con los efectos sobre el cuerpo humano. La toxicidad de cualquier sustancia depende de su naturaleza (compuesto químico exacto) y su cantidad. Un compuesto químico puede ser tóxico aunque esté formado por átomos de elementos químicos que, tomados individualmente, no lo son, y viceversa. Además, una determinada sustancia puede tolerarse bien o incluso ser necesaria si está por debajo de cierta cantidad. Finalmente, la toxicidad depende de la combinación y sinergia con otros elementos. Los metales denominados "pesados" típicamente relacionados con su toxicidad y bioacumulación en la cadena alimentaria son: mercurio , cromo , cadmio , arsénico , plomo [11] y recientemente uranio [21] .

Los elementos químicos superpesados ( transattetidos ) de carácter metálico se denominan habitualmente metales superpesados . Estos, en realidad, son elementos artificiales que se han sintetizado todavía en cantidades demasiado pequeñas para que se pueda entender si realmente tienen un carácter metálico o no; su carácter metálico se asume sobre la base de cálculos teóricos. Por ejemplo, se supone que los elementos 104 a 112 son excelentes metales nobles . [22]

Pepita de oro de unos 15 cm de largo. Al ser un metal noble, el oro se puede encontrar en la naturaleza como un metal puro, porque es difícil de oxidar.

Metales comunes, metales nobles y metales preciosos

En metalurgia y química hablamos de metales nobles y metales base en referencia a la resistencia que un metal opone a la corrosión y oxidación en aire húmedo. La mayoría de los metales nobles también se consideran preciosos , es decir, al mismo tiempo útiles en muchos campos tecnológicos y metalúrgicos y raros en la corteza terrestre. Algunos diccionarios contrastan el término "vil" con el término "precioso", utilizándolo así para indicar metales comunes, fácilmente disponibles. [23] Ejemplos de metales nobles y preciosos son el oro , la plata y el platino , [24] mientras que algunos metales considerados básicos, que son fáciles de oxidar o corroer, son el hierro , el plomo y el zinc . [25]

Metales ferrosos y no ferrosos

Hablamos de metales ferrosos en referencia a las aleaciones metálicas que contienen una cierta cantidad mínima de hierro. Las aleaciones que no contienen una cantidad apreciable de hierro se denominan metales no ferrosos (más propiamente aleaciones).

Minería y procesamiento de metales

Metal trabajado en caliente.

El mineral que contiene el metal se extrae de las minas . Luego se extrae la materia prima. La extracción consiste en separar el metal de las demás sustancias. Después de la extracción, el metal se funde y luego se refina, es decir, se eliminan las impurezas hasta obtener el porcentaje de pureza deseado. En este punto se vierte el metal, es decir, se extrae del horno como metal fundido. Los metales fundidos pueden luego modelarse, colocarse en moldes especiales y finalmente tomar la forma dada.

Para obtener productos metálicos acabados, primero es necesario pasar a la producción de productos semiacabados, es decir, planchas, lingotes, desbastes , tochos o palanquillas ; luego pasamos al procesamiento mecánico, es decir, al laminado y moldeado de productos semiacabados.

En ocasiones los metales se someten a un tratamiento galvánico para darles una mayor resistencia a la corrosión y mejorar su brillo.

Aleaciones metálicas

Algunas de las aleaciones de metales más comunes son:

  • Bronce (aleación de cobre y estaño, pero también aluminio, níquel, berilio)
  • Latón (aleación de cobre y zinc, con la adición de Fe, As, Sn, Sb, Al y otros metales y semimetales)
  • Aceros (aleaciones de hierro-carbono-cromo-níquel-molibdeno y otros metales, cobalto, vanadio).

Fenómenos degenerativos

Un tipo particular de fractura frágil es la denominada hendidura , típica de los metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo (CCC) y, más raramente, de los metales con estructura hexagonal compacta (CE). La escisión es el resultado de grandes esfuerzos realizados a bajas temperaturas. La escisión es generalmente transgranular, pero también puede ser intergranular si hay precipitados o impurezas particulares presentes en el límite del grano .

La fluencia, en cambio, es un fenómeno que se da a altas temperaturas que, en función del tiempo, primero ve el aumento de las dislocaciones y el endurecimiento por trabajo, fenómeno que no se activa térmicamente ( fluencia primaria ), luego el desanclaje de las dislocaciones (este fenómeno se activa térmicamente) que, tras igualar la intensidad del endurecimiento ( fluencia secundaria , en la que la velocidad de fluencia se vuelve estacionaria), la supera, acelera la velocidad de deformación ( fluencia terciaria ) y finalmente induce una rotura.

Fluencia del metal: deformación plástica dependiente del tiempo también llamada fluencia en caliente que se produce cuando un material metálico se somete a una tensión constante a alta temperatura. El mecanismo de fluencia se ilustra mediante curvas que informan la deformación en función del tiempo y se pueden dividir en varias fases:

  • Alargamiento elástico instantáneo
  • Fluencia primaria: la tasa de deformación disminuye con el tiempo, debido al bloque de dislocación y el consiguiente endurecimiento por trabajo.
  • Fluencia secundaria: en tiempos más largos, la difusión de los átomos permite un desbloqueo parcial de las dislocaciones haciendo posible nuevamente su deslizamiento. El bloqueo y el desbloqueo están equilibrados y la tasa de deformación permanece casi constante.
  • Fluencia terciaria: la velocidad de deformación aumenta rápidamente y en poco tiempo el material se descompone, tras la formación de micro-vacíos en el límite de grano y el posterior deslizamiento de los granos entre ellos.

Nota: el aumento de temperatura hace que la curva de fluencia aumente y la duración de las distintas fases disminuya (el material se rompe más rápido).

La fatiga es el fenómeno por el cual un metal sometido a una tensión cíclica puede llegar a fallar incluso para valores de tensión muy por debajo de su límite elástico. Una primera fase de endurecimiento (hardering) es seguido por sedimentación microestructural (softering), la orientación de las dislocaciones en bandas de deslizamiento precisos, la aparición de características micro-intrusiones y micro-protuberancias en la superficie. Es a lo largo de las bandas de deslizamiento, que se producen después de apenas el 5% de la vida útil de la muestra, donde se producirá la rotura cuyo punto de disparo se encuentra justo debajo de la superficie. La rugosidad superficial es un parámetro muy importante en lo que respecta a la resistencia a la fatiga de un metal.

Fatiga de los metales: los materiales están sometidos a tensiones cíclicas que pueden provocar la rotura del componente incluso para cargas inferiores a la carga de rotura; estas pruebas se realizan principalmente en componentes móviles y se dividen en 3 fases:

  • Inicio de fisura: en un punto donde la geometría del componente permite una concentración de tensiones o en correspondencia con defectos.
  • Propagación de fisuras: se produce por la aplicación cíclica de tensiones y provoca una reducción de la sección resistente.
  • Rotura final: se produce cuando la fisura alcanza las dimensiones críticas.

El estudio de la resistencia a la fatiga de los materiales se realiza con ensayos acelerados en probetas ya provistas de muescas (pre-fisuradas) y los resultados se reportan en las gráficas “tensión-número de ciclos de rotura” [σ-N]. Algunos materiales tienen un límite de fatiga, es decir, una asíntota de la curva [σ-N], por debajo de la cual ya no hay una disminución en la resistencia a la fatiga a medida que aumenta N (por ejemplo, acero 1047), en probetas ya equipadas con muescas (pre - agrietado).

La corrosión surge de iteraciones redox con el medio ambiente y, por supuesto, es particularmente dañina para los metales. Se buscan medios de prevención como un revestimiento de PVC , pintura o el uso de un ánodo de sacrificio. La historia del caso es variada: la corrosión puede ocurrir en la fisura o por aireación intergranular diferenciada, por picaduras (pasada la película protectora en un punto), potenciada por un ambiente galvánico o por las fuertes tensiones a las que está sometida la pieza.

Finalmente, el desgaste destruye el metal en presencia de un ambiente tribológico, donde existe fricción entre la pieza y otros componentes. El desgaste puede deberse a fuerzas dinámicas de fluidos: se denomina triboxidación en un entorno particularmente agresivo; se dice que es adhesivo cuando está determinado por microuniones creadas entre las crestas de rugosidad de dos cuerpos en deslizamiento mutuo uno sobre otro; finalmente erosivo cuando una superficie está simplemente en movimiento relativo contra partículas particularmente duras. La corrosión-erosión es un caso particular, en el que no obstante un desgaste superficial no excesivo es suficiente para eliminar la capa superficial pasivada, representando así metal vivo a los agentes corrosivos.

Nota

  1. ^ a b Rolla , págs. 43-44 .
  2. Mircea Eliade , Metal Arts and Alchemy (1956), trad. it., Turín, Bollati Boringhieri, 1980.
  3. ^ Silvano Parisen, Metalli: características , en labiolca.it .
  4. ^ Jean-Pierre Reymond, De la tierra y el fuego: metales , trad. eso. por G. Lughi, EL, 1989.
  5. ^ John Martineau, Pequeño libro de coincidencias , en AA.VV., Quadrivium. Número, geometría, música, astronomía , págs. 304-305, Sironi Editore, 2011.
  6. ^ Notas sobre la historia de la química. Archivado el 7 de julio de 2017 en Internet Archive .
  7. ^ Aldo Mieli, Manual de historia de la ciencia , p. 514, editorial Leonardo da Vinci, 1925.
  8. Anna Maria Partini, Athanasius Kircher y Alchemy: Textos seleccionados y comentados , págs. 94-96, Mediterranee, 2004.
  9. ^ AM Partini, Introducción a la alquimia , en "Simetría", n. 3, 2000/2001.
  10. ^ Connelly, NG, Royal Society of Chemistry (Gran Bretaña) y Unión Internacional de Química Pura y Aplicada., Nomenclatura de química inorgánica. Recomendaciones de la IUPAC 2005 , Royal Society of Chemistry, 2005, p. 10, ISBN 0854044388 , OCLC 60838140 . Consultado el 23 de octubre de 2018 .
    "El problema es definir el término 'metal'". .
  11. ^ a b c "Metales pesados": ¿un término sin sentido? (Informe técnico de la IUPAC). Pure Appl. Chem. vol 74. no 5, págs. 793-807, 2002
  12. ^ Orchin, Milton, 1914- y Universidad de Cincinnati. Departamento de Química. División orgánica., El vocabulario y conceptos de química orgánica. , 2ª edición, pág. 344, ISBN 0471713732 , OCLC 61124521 . Consultado el 23 de octubre de 2018 .
  13. ^ Loretta Jones y Peter Atkins, Química: moléculas, materia y cambio , 4ª ed, WH Freeman, 2000, ISBN 0716732548 , OCLC 41108599 . Consultado el 23 de octubre de 2018 .
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Bibliografia

Voci correlate

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