Metale și aliaje

Studiul proprietăților metalelor, al metodelor de obținere și al celor mai importanți produși metalurgici.

Proprietățile metalelor și seria activității

Toate proprietățile caracteristice ale metalelor se explică printr-un singur lucru: legătura metalică. Ionii pozitivi sunt fixați într-o rețea, iar electronii de valență sunt delocalizați, formând un nor comun care ține rețeaua legată.

De aici rezultă proprietățile fizice:

• conductibilitatea electrică și termică – electronii liberi transportă sarcina și energia (cei mai buni conductori: argintul, apoi cuprul, apoi aurul și aluminiul);
• luciul metalic – electronii delocalizați reflectă lumina;
• maleabilitatea și ductilitatea – straturile de ioni pot aluneca unele peste altele fără ca legătura să se rupă, pentru că norul de electroni se redistribuie; de aceea metalele se pot trage în fire și bate în foi, spre deosebire de cristalele ionice, care se sfărâmă;
• densități și temperaturi de topire foarte variate: de la mercur, lichid la temperatura camerei, la wolfram, care se topește peste 3400 grade Celsius.

Proprietatea chimică fundamentală: metalele sunt agenți reducători — cedează electroni și trec în ioni pozitivi.

Seria activității metalelor (K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au) este instrumentul de lucru pentru prezicerea reacțiilor:

• un metal situat înaintea hidrogenului reacționează cu acizii diluați și degajă hidrogen; cele de după hidrogen (Cu, Ag, Au) nu degajă hidrogen din acizi diluați;
• un metal mai activ îl scoate din sare pe unul mai puțin activ (Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu, dar reacția inversă nu are loc).

Atenție la o excepție de examen: acidul azotic nu degajă hidrogen practic cu niciun metal, ci oxizi de azot, pentru că acolo oxidantul nu este H+, ci ionul azotat.

Metalurgia fierului – furnalul

Fierul nu se găsește liber în natură (decât în meteoriți), ci în minereuri oxidice: hematit (Fe2O3), magnetit (Fe3O4), siderit (FeCO3), limonit.

În furnal se introduc trei materiale, fiecare cu rolul lui, iar întrebările de examen vizează exact aceste roluri:

• minereul de fier – sursa de fier;
• cocsul – combustibil (arde și dă temperatura necesară) și, mai important, sursa agentului reducător;
• fondantul (calcarul, CaCO3) – transformă impuritățile silicioase în zgură, ușor de separat.

Procesele principale:

• arderea cocsului: C + O2 → CO2 (reacție puternic exotermă, dă căldura);
• formarea agentului reducător: CO2 + C → 2CO;
• reducerea propriu-zisă a minereului, în trepte: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe, agentul reducător real fiind monoxidul de carbon;
• descompunerea fondantului: CaCO3 → CaO + CO2, apoi CaO + SiO2 → CaSiO3 (zgura).

De reținut clar: agentul reducător principal este CO, nu carbonul direct. Este cea mai frecventă greșeală la itemul despre furnal.

Produsul furnalului este fonta, un aliaj fier-carbon cu peste 2,11% carbon (practic 2,5-4%). Fonta este dură, casantă și nu se poate prelucra prin deformare — se toarnă în forme.

Zgura, care plutește deasupra fontei topite, o protejează de reoxidare și se folosește ulterior la fabricarea cimentului.

Elaborarea oțelului

Oțelul este tot un aliaj fier-carbon, dar cu sub 2,11% carbon (uzual 0,1-1,5%). Diferența de conținut de carbon schimbă complet comportarea materialului: oțelul este tenace, se poate forja, lamina, trage în fire și suda, în timp ce fonta se rupe la lovire.

Elaborarea oțelului înseamnă, în esență, arderea controlată a carbonului în exces din fontă și eliminarea impurităților de sulf, fosfor, siliciu și mangan. Procesul se numește afinare și se face suflând oxigen prin fonta topită (procedeul cu convertizor cu oxigen) sau topind fier vechi în cuptorul electric cu arc.

Reacțiile de bază sunt oxidări: C + O2 → CO2, Si + O2 → SiO2, iar oxizii acizi rezultați sunt fixați de un adaos bazic (var) sub formă de zgură.

Oțelurile aliate conțin, pe lângă fier și carbon, elemente adăugate intenționat:

• crom și nichel – oțelurile inoxidabile; cromul formează un strat de oxid compact, pasivant, care oprește ruginirea;
• wolfram, vanadiu, molibden – oțeluri pentru scule, care își păstrează duritatea la cald;
• mangan – rezistență la uzură (macazuri, șenile).

Proprietățile se modifică și prin tratamente termice: călirea (răcire bruscă — crește duritatea, dar și fragilitatea), revenirea (reîncălzire moderată — reduce fragilitatea) și recoacerea (răcire lentă — înmoaie materialul și elimină tensiunile interne).

România are tradiție metalurgică la Galați, Hunedoara și Reșița, iar reciclarea fierului vechi acoperă azi o parte importantă din producția de oțel, cu consum energetic mult mai mic decât ruta furnalului.

Aluminiul – obținere și proprietăți

Aluminiul este cel mai răspândit metal din scoarța terestră, dar nu se găsește liber, pentru că este foarte reactiv. Minereul industrial este bauxita, care conține oxid de aluminiu hidratat.

Obținerea are două etape distincte, iar confundarea lor costă puncte:

• purificarea bauxitei (procedeul Bayer) – bauxita se tratează cu NaOH concentrat; alumina, fiind amfoteră, se dizolvă sub formă de aluminat, în timp ce impuritățile de oxid de fier rămân nedizolvate (nămolul roșu). Din soluție se recuperează Al2O3 pur.
• electroliza aluminei topite – Al2O3 se dizolvă în criolită (Na3AlF6) topită, ceea ce coboară temperatura de lucru de la peste 2000 la circa 950 grade Celsius. La catod se depune aluminiul: Al(3+) + 3e- → Al; la anodul de grafit se degajă oxigen, care arde treptat electrozii.

De ce electroliză și nu furnal? Pentru că aluminiul este mult mai activ decât carbonul, deci CO nu îl poate reduce din oxid. Reducerea carbotermică funcționează pentru fier, nu pentru aluminiu.

Proprietăți: metal ușor (densitate circa 2,7 g/cm3), argintiu, bun conductor, foarte maleabil. Deși este activ chimic, rezistă la coroziune datorită stratului de Al2O3 compact și aderent care îl pasivează — spre deosebire de rugina fierului, care este poroasă și nu protejează.

Aluminiul este amfoter: reacționează și cu acizii (degajând hidrogen), și cu bazele tari (formând aluminați și hidrogen). De aceea vasele de aluminiu nu se folosesc pentru alimente foarte acide sau pentru soluții de sodă caustică.

Electroliza consumă foarte multă energie — de aici valoarea economică uriașă a reciclării, care cere sub 10% din energia necesară producției primare.

Aliaje și metale prețioase

Un aliaj este un material metalic obținut prin topirea împreună a două sau mai multe elemente, dintre care cel puțin unul este metal. Rostul alierii: aliajul are, aproape întotdeauna, proprietăți mai bune decât metalele componente — duritate mai mare, rezistență la coroziune, temperatură de topire convenabilă.

Aliajele obligatorii de știut, cu compoziția lor:

• fonta – Fe + C, peste 2,11% carbon; dură, casantă, se toarnă;
• oțelul – Fe + C, sub 2,11% carbon; tenace, se prelucrează prin deformare;
• bronzul – cupru + staniu; rezistent la coroziune, folosit la statui, clopote, lagăre;
• alama – cupru + zinc; galbenă, ușor de prelucrat, folosită la robinete, instrumente muzicale, fitinguri;
• duraluminiul – aluminiu + cupru + magneziu + mangan; ușor și rezistent, folosit în aviație;
• aliaje de lipit – staniu + plumb, cu temperatură de topire joasă.

Confuzia bronz/alamă este clasică: bronz = cupru și staniu, alamă = cupru și zinc.

Metalele prețioase (aur, argint, platină) se află la capătul seriei activității: sunt puțin reactive, nu se oxidează în aer, nu reacționează cu acizii obișnuiți. Aurul se dizolvă doar în apă regală (amestec de acid azotic și acid clorhidric concentrați, în raport de 1:3).

Pentru că sunt prea moi în stare pură, se folosesc aliate: titlul (caratele) exprimă conținutul de metal prețios — aurul de 24 de carate este pur, cel de 14 carate conține 14/24, adică circa 58,5% aur.

Utilizări: bijuterii și monede, contacte electrice care nu se oxidează (aur), instrumentar medical și oglinzi (argint, care are și efect bactericid), catalizatori în industria chimică și în catalizatoarele auto (platină, paladiu, rodiu).

Test — 6 întrebări ca la examen