Metale și nemetale – proprietăți și utilizări

Studiul comparativ al proprietăților fizice și chimice ale metalelor și nemetalelor reprezentative.

Proprietățile generale ale metalelor

Metalele ocupă partea stângă și mijlocul sistemului periodic și reprezintă marea majoritate a elementelor. Atomii lor au puțini electroni pe ultimul strat (1, 2 sau 3) și tendința de a-i ceda, transformându-se în ioni pozitivi (cationi).

Proprietăți fizice comune:

• stare solidă la temperatura obișnuită, cu o singură excepție: mercurul, lichid;
• luciu metalic caracteristic;
• bune conducătoare de căldură și de electricitate – electronii de valență sunt liberi să se deplaseze prin rețea;
• maleabile (se pot trage în foi) și ductile (se pot trage în fire);
• densități și temperaturi de topire foarte variate: litiul plutește pe apă, osmiul este de zeci de ori mai dens; wolframul se topește la peste 3000 de grade, cesiul se topește în palmă.

Proprietăți chimice:

• reacționează cu oxigenul dând oxizi bazici: 2 Mg + O2 → 2 MgO;
• metalele active reacționează cu apa, dând bază și hidrogen: 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2;
• reacționează cu acizii (doar cele situate înaintea hidrogenului), dând sare și hidrogen;
• reacționează cu sărurile metalelor mai puțin active: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu.

Seria activității metalelor, în ordinea descrescătoare a reactivității: K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au.

Confuzia clasică: „metal” nu înseamnă „greu” sau „dur”. Sodiul se taie cu cuțitul și e mai ușor decât apa, dar este un metal foarte reactiv. Criteriul chimic real este tendința de a ceda electroni, nu aspectul.

Proprietățile generale ale nemetalelor

Nemetalele ocupă colțul din dreapta sus al sistemului periodic și sunt puține la număr, dar formează majoritatea compușilor din organismele vii. Atomii lor au mulți electroni pe ultimul strat (4, 5, 6 sau 7) și tendința de a accepta electroni, formând ioni negativi (anioni).

Proprietăți fizice:

• stări de agregare variate: gaze (O2, N2, H2, Cl2, F2), lichid (bromul, Br2 – singurul nemetal lichid), solide (C, S, P, I2);
• fără luciu metalic, cu excepții aparente ca grafitul și iodul;
• izolatori termici și electrici – singura excepție importantă este grafitul, care conduce curentul;
• casante în stare solidă: sulful se sfărâmă, nu se îndoaie.

Proprietăți chimice:

• reacționează cu oxigenul dând oxizi acizi: S + O2 → SO2;
• reacționează cu hidrogenul dând compuși gazoși: H2 + Cl2 → 2 HCl; N2 + 3 H2 → 2 NH3;
• reacționează cu metalele dând săruri: Fe + S → FeS; 2 Na + Cl2 → 2 NaCl.

Merită reținută ideea de fond, pentru că explică jumătate din chimia clasei a VIII-a: metalele cedează electroni, nemetalele îi acceptă. De aceea metalul cu nemetalul formează un compus ionic, iar oxizii lor au caractere opuse – bazic, respectiv acid.

O capcană a programei: hidrogenul este nemetal, dar stă în stânga tabelului, deasupra metalelor alcaline. Poziția lui nu îl face metal. La fel, grafitul conduce curentul, dar rămâne nemetal – conductibilitatea singură nu este criteriu suficient de clasificare.

Metale importante: fier, aluminiu, cupru, zinc

Fierul, Fe – metal cenușiu-argintiu, feromagnetic, cel mai folosit metal din lume. Se extrage din minereuri (hematită, Fe2O3; magnetită, Fe3O4) prin reducere cu cocs în furnal. Valențele lui uzuale sunt II și III, de unde perechile FeO / Fe2O3 și FeCl2 / FeCl3. Se folosește sub formă de aliaje: fonta (peste 2,11% carbon, dură dar casantă) și oțelul (sub 2,11% carbon, tenace, prelucrabil).

Punctul lui slab este rugina: în prezența simultană a apei și a oxigenului, fierul se transformă într-un oxid hidratat, brun, poros, care nu protejează metalul de dedesubt, ci lasă coroziunea să continue. Protecția se face prin vopsire, ungere, acoperire cu alt metal (zincare, cositorire) sau prin aliere (oțelul inoxidabil, cu crom și nichel).

Aluminiul, Al – metal alb-argintiu, foarte ușor, trivalent, al treilea element ca abundență în scoarța terestră. Se obține prin electroliza aluminei (Al2O3) topite, proces mare consumator de energie – de aceea reciclarea aluminiului este atât de rentabilă. Deși este un metal activ, în aer se acoperă spontan cu o peliculă subțire și aderentă de Al2O3, care îl pasivează și îl protejează. De aici paradoxul aparent: aluminiul e mai reactiv decât fierul, dar rezistă mult mai bine în aer. Se folosește la ambalaje, tâmplărie, cabluri electrice și în industria aeronautică.

Cuprul, Cu – metal roșiatic, al doilea cel mai bun conducător electric după argint, dar mult mai ieftin. Este după hidrogen în seria activității, deci nu reacționează cu HCl. În aer umed se acoperă cu patină verde (carbonat bazic de cupru). Aliaje: bronzul (cupru și staniu) și alama (cupru și zinc). Utilizări: conductoare electrice, instalații, monede, obiecte decorative.

Zincul, Zn – metal alb-albăstrui, divalent, folosit mai ales la protejarea fierului prin zincare (galvanizare), la aliaje și în bateriile uzuale. Este mai activ decât fierul, deci se corodează el în locul fierului chiar și când stratul este zgâriat – tocmai de aceea zincarea funcționează.

Nemetale importante: carbon, sulf, azot, oxigen, clor

Carbonul, C – apare în mai multe forme alotrope, adică substanțe simple diferite formate din același element: diamantul (cel mai dur material natural, izolator, transparent), grafitul (moale, opac, bun conducător, folosit la mine de creion și electrozi), cărbunele amorf și fulerenele. Diferența de proprietăți vine exclusiv din modul de aranjare a atomilor, nu din natura lor.

Sulful, S – solid galben, insolubil în apă, casant. Arde cu flacără albăstruie și dă SO2, cu miros înțepător și sufocant. Se folosește la obținerea acidului sulfuric, la vulcanizarea cauciucului, la fungicide și la medicamente. În natură se găsește nativ, în zonele vulcanice, dar și în sulfuri și sulfați.

Azotul, N2 – gaz incolor, inodor, care ocupă 78% din volumul aerului. Este foarte puțin reactiv din cauza triplei legături dintre atomi; de aceea se folosește ca atmosferă inertă la ambalarea alimentelor. Compușii lui – amoniacul și azotații – sunt baza îngrășămintelor și, prin ele, a agriculturii moderne.

Oxigenul, O2 – gaz incolor, care ocupă 21% din volumul aerului, indispensabil respirației și arderilor. Întreține arderea, dar nu arde el însuși – distincție cerută explicit la examen. Se identifică prin aprinderea unei așchii de lemn abia stinse, care se reaprinde. Forma alotropă O3, ozonul, formează în stratosferă stratul care ne apără de radiațiile ultraviolete.

Clorul, Cl2 – gaz galben-verzui, cu miros înțepător, toxic, mai greu decât aerul. Foarte reactiv: cu metalele dă cloruri, cu hidrogenul dă HCl. Se folosește la dezinfectarea apei potabile și a piscinelor, la înălbitori și la obținerea PVC-ului.

O precizare care se cere la grile: oxigenul nu arde. A spune că „oxigenul este combustibil” e greșit – el este comburant, adică substanța care permite altora să ardă.

Aliaje, coroziune și utilizări în viața cotidiană

Un aliaj este un amestec omogen obținut prin topirea a două sau mai multe metale, sau a unui metal cu un nemetal. Aliajele nu sunt substanțe compuse: componentele se pot afla în proporții variabile, iar proprietățile se modifică gradat cu compoziția. Motivul pentru care se folosesc este simplu – aliajul are proprietăți mai bune decât metalele pure: mai dur, mai rezistent la coroziune, cu temperatură de topire mai convenabilă.

Aliajele cerute la examen:

• oțelul – fier cu până la 2,11% carbon; construcții, unelte, structuri;
• fonta – fier cu peste 2,11% carbon; piese turnate, calorifere, capace de canal;
• oțelul inoxidabil – fier, crom, nichel; tacâmuri, instrumente medicale;
• bronzul – cupru și staniu; statui, clopote, lagăre;
• alama – cupru și zinc; robinete, instrumente muzicale;
• duraluminiul – aluminiu cu cupru și magneziu; aviație.

Coroziunea este distrugerea lentă a metalelor sub acțiunea mediului. Cazul cel mai costisitor este ruginirea fierului, care necesită prezența simultană a apei și a oxigenului – într-un mediu perfect uscat sau lipsit de oxigen, fierul nu ruginește. Sarea de pe șosele accelerează procesul, pentru că mărește conductibilitatea peliculei de apă.

Metode de protecție anticorozivă:

• acoperiri de suprafață: vopsire, ungere, emailare;
• acoperiri metalice: zincare (stratul de zinc se sacrifică pentru fier), cromare, nichelare;
• aliere: obținerea oțelurilor inoxidabile;
• protecție catodică: legarea piesei de un metal mai activ, care se corodează în locul ei.

De reținut la nivel de mediu: reciclarea metalelor consumă de câteva ori mai puțină energie decât extragerea lor din minereu, iar la aluminiu economia depășește 90%. Deșeurile metalice nu sunt gunoi, ci materie primă.

Test — 6 întrebări ca la examen