Clasificación de los
Metales.
Se entiende
por metal toda sustancia que posea "brillo metálico", propio en mayor
o menor medida de todos los metales, y plasticidad. Estas propiedades las
tienen no sólo los elementos puros, como el aluminio, el cobre, el hierro,
etc., sino también sustancias más complejas en cuya composición pueden entrar
varios elementos no metales, frecuentemente
con impurezas de elementos no
metales en cantidades considerables. Estas sustancias se llaman aleaciones
metálicas y en una denominación más amplia pueden denominarse metales.
Cada metal se diferencia de
otro por su estructura y propiedades, pero existen ciertos indicios que
permiten agruparlos. En primer lugar todos los metales pueden dividirse en dos
grandes grupos: metales negros y metales de color.
Metales Negros
Este grupo se caracteriza
por un color gris oscuro, gran densidad, exceptuando a los metales alcalinos –
ferreos, alta temperatura de fusión, dureza relativamente elevada y en muchos
casos poseen polimorfismo. El metal más característico de este grupo es el
hierro.
Metales Férreos
Hierro, cobalto, níquel
(llamados ferromagnéticos) y el manganeso, cuyas propiedades se aproximan a las
de aquellos. El cobalto, el níquel y el manganeso se emplean frecuentemente
como elementos de adición a las aleaciones de hierro y como base para las correspondientes
aleaciones, de propiedades parecidas a los aceros de aleación.
El hierro es utilizado en el automóvil, por ejemplo, en algunos bloques de motor.
Metales refractarios
La temperatura de fusión de
estos metales es superior que la del hierro, es decir, superior a 1539 ºC . Se utilizan como
elementos de adición a los aceros de aleación y como base para las
correspondientes aleaciones.
El magnesio es utilizado en el automóvil, por ejemplo, en algunas llantas.
Metales uránicos
Se utilizan
principalmente en aleaciones para la energía atómica.
Metales de Color
Suelen tener una coloración
roja, amarilla o blanca característica. Poseen gran plasticidad, poca dureza,
temperatura de fusión relativamente baja y en ellos es característica la
ausencia de polimorfismo. El metal más representativo de este grupo es el
cobre.
El cobre es buen conductor por lo tanto podemos encontrarlo en las diferentes instalaciones de nuestros coches.
Metales Ligeros
Caracterizados por una baja
densidad, entre ellos se encuentran el Berilio, magnesio y aluminio.
El aluminio es muy común en los capot.
Metales Nobles
Los metales de esta
categoría poseen gran resistencia a la corrosión y en ella se agrupan metales
como la plata, el oro y metales del grupo del platino (platino, paladio,
iridio, rodio, osmio, rutenio). A ellos puede agregarse el semidoble cobre.
El platino le podemos encontrar en los catalizadores por eso están muy cotizados.
Metales fácilmente fusibles
En esta categoría se
encuentran el zinc, cadmio, mercurio, estaño, plomo, bismuto, talio, antimonio
y los elementos con propiedades metálicas debilitadas como el galio y el
germanio.
El estaño es un material utilizado para la reparación de carrocerías.
Un enlace metálico es un
enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y
los electrones de valencia, que se juntan alrededor de éstos como una nube) de
los metales entre sí.
Estos átomos se agrupan de
forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se
trata de líneas tridimensionales que adquieren estructuras tales como: la
típica de empaquetamiento compacto de esferas (hexagonal compacta), cúbica
centrada en las caras o la cúbica centrada en el cuerpo.
En este tipo de estructura
cada átomo metálico está dividido por otros doce átomos (seis en el mismo
plano, tres por encima y tres por debajo). Además, debido a la baja
electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son
extraídos de sus orbitales. Este enlace sólo puede estar en sustancias en
estado sólido.1
Los metales poseen algunas
propiedades características que los diferencian de los demás materiales. Suelen
ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio, y tienen un punto de
fusión alto.
El enlace metálico es
característico de los elementos metálicos. Es un enlace fuerte, primario, que
se forma entre elementos de la misma especie. Al estar los átomos tan cercanos
unos de otros, interaccionan sus núcleos junto con sus nubes electrónicas,
empaquetándose en las tres dimensiones, por lo que quedan los núcleos rodeados
de tales nubes. Estos electrones libres son los responsables de que los metales
presenten una elevada conductividad eléctrica y térmica, ya que estos se pueden
mover con facilidad si se ponen en contacto con una fuente eléctrica. Los
metales generalmente presentan brillo y son maleables. Los elementos con un
enlace metálico están compartiendo un gran número de electrones de valencia,
formando un mar de electrones rodeando un enrejado gigante de cationes. Muchos
de los metales tienen puntos de fusión más altos que otros elementos no
metálicos, por lo que se puede inferir que hay enlaces más fuertes entre los
distintos átomos que los componen. La vinculación metálica es no polar, apenas
hay diferencia de electronegatividad entre los átomos que participan en la
interacción de la vinculación (en los metales, elementales puros) o muy poca
(en las aleaciones), y los electrones implicados en lo que constituye la
interacción a través de la estructura cristalina del metal. El enlace metálico
explica muchas características físicas de metales, tales como maleabilidad,
ductilidad, buenos en la conducción de calor y electricidad, y con brillo o
lustre (devuelven la mayor parte de la energía lumínica que reciben).
La vinculación metálica es
la atracción electrostática entre los átomos del metal o cationes y los
electrones deslocalizados. Esta es la razón por la cual se puede explicar un
deslizamiento de capas, dando por resultado su característica maleabilidad y
ductilidad.
Los átomos del metal tienen
por lo menos un electrón de valencia, no comparten estos electrones con los
átomos vecinos, ni pierden electrones para formar los iones. En lugar los
niveles de energía externos de los átomos del metal se traslapan. Son como
enlaces covalentes identificados.
Características físicas/químicas de los materiales
metálicos.
Las propiedades
físicas de los metales son:
Brillo: reflejan
la luz que incide sobre su superficie. La inmensa mayoría presenta un brillo
metálico muy intenso.
Dureza: las
superficies de los metales oponen resistencia a dejarse rayar por objetos
agudos.
Tenacidad: los
metales presentan menor o mayor resistencia a romperse cuando se ejerce sobre
ellos una presión.
Ductilidad:
los metales son fácilmente estirados en hilos finos (alambres), sin romperse.
Maleabilidad:
ciertos metales, tales como la plata, el oro y el cobre, presentan la propiedad
de ser reducidos a delgadas laminas, sin romperse.
Conductividad
calórica: los metales absorben y conducen la energía calórica.
Conductividad
eléctrica: los metales permiten el paso de la corriente eléctrica a través de
su masa.
Densidad: la
inmensa mayoría de los metales presentan altas densidades.
Fusibilidad: la
inmensa mayoría de los metales presentan elevadísimos puntos de fusión, en
mayor o menor medida, para ser fundidos.
Propiedades Quimicas:
- Tendencia a la perdida de electrones de la última capa para transformarse en iones electropositivos (cationes)
- Cuando las sales que los contienen se disuelven en agua y se hace circular por ella corriente eléctrica, se disocian, dando origen a iones metálicos positivos o cationes, que se dirigen hacia el polo negativo o cátodo.
- La mayoría se combinan con el oxígeno para formar óxidos.
- Reaccionan con los ácidos para formar sales.
Ej: Zinc + ácido
clorhídrico cloruro de cinc + hidrógeno
Zin + HCI znCI²
+ H²
Estructura interna de los materiales metálicos.
Los materiales
están formados por varios elementos.
Molécula: Es la
mínima proporción de la materia que conserva las propiedades de un material.
Átomo: El átomo
es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su
identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos
químicos.
Pero lo que le
da sus propiedades es su estructura cristalina.
La estructura
física de los sólidos es gracias a la colocación de sus átomos, moléculas y las
fuerzas que las unen.
Dependiendo de
cómo sean las celdas de los cristales hay 7 sistemas cristalinos y 14 retículos
espaciales diferentes.
Cristales Metálicos.
La
estructura de los cristales metálicos es más simple porque cada punto reticular
del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal.
Se
caracterizan por tener pocos electrones débilmente ligados a sus capas más
externas. Están cargados positivamente.
Características más comunes:
Buena conductividad
eléctrica.
Buena conductividad
térmica.
Alta resistencia
mecánica.
Rigidez.
Ductilidad.
El
90% de los Metales cristalizan en 3 estructuras densamente empaquetadas:
BCC (cúbica centrada en el cuerpo):Hay un
átomo en cada uno de los vértices de la red cúbica y otro en el centro.
FCC (Cúbica centrada en
las caras): Hay un átomo en cada uno de los vértices de la red cúbica y otro en
el centro de cada cara.
HCP (hexagonal
compacta): Hay un átomo en cada uno delos vértices, tres en el centro y uno en
la cara superior e inferior.
Pureza y aleaciones
Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.
Las aleaciones
están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu
(cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se
pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C
(carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).
Mayoritariamente
las aleaciones son consideradas mezclas, al no producirse enlaces estables
entre los átomos de los elementos involucrados. Excepcionalmente, algunas
aleaciones generan compuestos químicos.
Se clasifican teniendo en cuenta el elemento que se halla en mayor proporción (aleaciones férricas, aleaciones base cobre, etc.). Cuando los aleantes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, los aleantes pueden aparecer en proporciones similares
Las aleaciones
más comunes utilizadas en la industria son:
- Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de
carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición,
sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición.
- Alnico: Formada principalmente de cobalto
(5.24%), aluminio (8-12%) y níquel (15-26%), aunque también puede contener
cobre (6%), en ocasiones titanio (1%) y el resto de hierro.
- Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por
zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%)
- Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y
estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una
proporción del 3 al 20 por ciento.
- Constantán: Es una aleación, generalmente
formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel.
- Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y
las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso.
- Magal: Es una aleación de magnesio, al que se
añade aluminio (8 o 9%), zinc (1%) y manganeso (0.2%).
- Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le
añade Aluminio y Zinc.
- Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80% de
níquel y un 20% de cromo.
- Nitinol: titanio y niquel.
- Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y
algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel.
- Peltre: Es una aleación compuesta por estaño,
cobre, antimonio y plomo.
- Plata de ley
- Zamak: Es una aleación de zinc con aluminio,
magnesio y cobre.
- Latón: Es una aleación de zinc con cobre.
Pureza
La ley es una unidad de medida que define la pureza de los metales preciosos, describiendo la cantidad de oro o plata finos en las ligas de barras, joyas o monedas. En la antigüedad, la Edad Media y los tiempos modernos hasta la adopción del sistema métrico decimal, la ley del oro se media en quilates y la de la plata en dineros y granos.
Historia de los materiales metálicos
Los metales son
componentes que han sido utilizados por el hombre desde la Era más remota,
tanto así que les dieron nombres a algunas de ellas: La Edd del Bronce, La Edad
del Hierro, la fiebre del Oro, etc. se han encontrado minas de silec del final
de la Edad de Piedra en el centro y noroeste de Europa. Los utensilios metálicos se funden y remoldean desde
tiempos prehistóricos, es lo que podríamos considerar un reciclaje primitivo.
Metales como el
oro, la plata y el cobre, fueron utilizados desde la prehistoria. Al principio,
sólo se usaron los que se encontraban fácilmente en estado puro (en forma de
elementos nativos), pero paulatinamente se fue desarrollando la tecnología
necesaria para obtener nuevos metales a partir de sus menas, calentándolos en
un horno mediante carbón de madera.
El primer gran
avance se produjo con el descubrimiento del bronce, fruto de la utilización de
mineral de cobre con incursiones de estaño, entre 3500 a . C. y 2000 a . C., en diferentes
regiones del planeta, surgiendo la denominada Edad del Bronce, que sucede a la
Edad de Piedra.
Otro hecho
importante en la historia fue la utilización del hierro, hacia 1400 a . C. Los hititas
fueron uno de los primeros pueblos en utilizarlo para elaborar armas, tales
como espadas, y las civilizaciones que todavía estaban en la Edad del Bronce,
como los egipcios
No obstante, en
la antigüedad no se sabía alcanzar la temperatura necesaria para fundir el
hierro, por lo que se obtenía un metal impuro que había de ser moldeado a
martillazos. Hacia el año 1400
A . D (Anno Domini). se empezaron a utilizar los hornos
provistos de fuelle, que permiten alcanzar la temperatura de fusión del hierro,
unos 1.535 °C .
Henry Bessemer
descubrió un modo de producir acero en grandes cantidades con un coste
razonable. Tras numerosos intentos fallidos, dio con un nuevo diseño de horno
(el convertidor Thomas-Bessemer) y, a partir de entonces, mejoró la
construcción de estructuras en edificios y puentes, pasando el hierro a un
segundo plano.
Poco después se
utilizó el aluminio y el magnesio, que permitieron desarrollar aleaciones mucho
más ligeras y resistentes, muy utilizadas en aviación, transporte terrestre y
herramientas portátiles.
El titanio, es
el último de los metales abundantes y estables con los que se está trabajando y
se espera que, en poco tiempo, el uso de la tecnología del titanio se
generalice.
Los elementos
metálicos, así como el resto de elementos, se encuentran ordenados en un
sistema denominado tabla periódica. La mayoría de los elementos de esta tabla
son metales.
Los metales se
diferencian del resto de elementos, fundamentalmente en el tipo de enlace que
constituyen sus átomos. Se trata de un enlace metálico y en él los electrones
forman una «nube» que se mueve, rodeando todos los núcleos. Este tipo de enlace
es el que les confiere las propiedades de conducción eléctrica, brillo, etc.
Hay todo tipo de metales: metales pesados, metales preciosos, metales
ferrosos, metales no ferrosos, etc. y el mercado de metales es muy importante
en la economía mundial.
Extracción, producción y
reciclado de materiales metálicos.
En el proceso de
extracción minera se utilizan diferentes métodos y técnicas, veamos algunos de ellos:
- Extracción de mineral a cielo abierto: se
realiza cuando el yacimiento puede ser explotado en la superficie; tales
son los casos de las minas de hierro en Cerro Bolívar y El Pao o las minas
de bauxita en Los Pijiguaos en Guayana.
- Extracción de mineral del subsuelo: cuando se
trata de excavar a cierta profundidad para extraer el rnineral, por lo
general el carbón se extrae en esa forma.
- Extracción por cernido: se refiere a la búsqueda
de minerales en la tierra o arena, cerniéndola y pasándola por corrientes
de agua como lo hacen los mineros al buscar diamantes u otras piedras
preciosas.
- Extracción por bombeo: se refiere a la remoción
de grandes cantidades de arena desde el fondo de los ríos para obtener
diamantes, otras piedras preciosas u oro.
Su producción se
lleva a cabo en el momento de la refinación de zinc, con el que está ligado.
El reciclaje de
metales sigue un proceso de cuatro etapas, que incluye la recopilación, el
procesamiento, la fragmentación y la distribución. El hierro y el acero
reciclado son importantes para la industria del acero y el reciclaje de latas
de bebidas gaseosas puede ser una importante fuente de aluminio. Otros metales,
especialmente los que se encuentran en los residuos electrónicos, también
pueden ser reciclados y reutilizados. El reciclaje de metales y su
procesamiento en nuevos productos ayudan a reducir el material en bruto y el
consumo de energía.
Fuentes
Los metales,
tanto ferrosos (de hierro) y no ferrosos (sin hierro) son parte de muchos
productos, desde latas y contenedores para electrodomésticos hasta los
automóviles. Las latas de aluminio que contienen bebidas carbonatadas son una
fuente popular de chatarra de aluminio, mientras que los vehículos tienden a
producir una gran cantidad de hierro y de acero. Otros metales también son
reciclables, aunque tienden a ser descuidados por la mayoría de los consumidores.
Estos incluyen el níquel, zinc, estaño, plomo y bronce. Incluso las joyas de
oro y de plata se pueden reciclar.
Proceso
El proceso de
reciclaje se inicia en la etapa de recolección. Aunque los consumidores pueden
entregar los materiales metálicos a los centros de recogida específicos, las
empresas de gestión de residuos también recogen periódicamente los residuos
reciclables, especialmente las latas de aluminio, de acero y de estaño. La
siguiente etapa es el procesamiento. Después de que todos los materiales se
clasifican son triturados, compactados y luego se venden a las industrias que
pueden hacer uso de ellos, por lo general, los molinos que funden y reutilizan
el metal.
Hierro y acero
El acero es el
material más reciclado en los Estados Unidos. Al reciclar el hierro y el acero,
el hierro nuevo no tiene que ser extraído, lo cual produce un ahorro en costos
de extracción y procesamiento, incluyendo la energía necesaria para hacerlo. El
reciclaje del acero es tan simple como la clasificación y luego su fusión junto
con el hierro fundido. A unos 1.700 grados C, la mezcla se convierte en metal
líquido y luego se convierte en grandes bloques, que a continuación se
enrollan. Estas bobinas se cortan según las especificaciones y son entregadas a
los clientes industriales como materia prima para convertirlos en productos
como piezas de automóviles, electrodomésticos, maquinaria y contenedores de
alimentos.
Aluminio
El aluminio
viene originalmente de la bauxita, un mineral rico en alúmina, que es un
compuesto de aluminio y oxígeno. Para eliminar el oxígeno se requiere una gran
cantidad de energía. El reciclaje no sólo reduce la minería de aluminio, sino
que también utiliza solamente el 5 por ciento de la energía necesaria para
crear el nuevo aluminio. Según fuentes de informacion, reciclar 1 kilogramo de aluminio
puede ahorrar hasta 6 kilos de bauxita, 4 kilogramos de
sustancias químicas y 14 kilovatios-hora de electricidad. El aluminio reciclado
es rehecho en muchos tipos de productos de aluminio.
Otros metales
Otros metales
como el cobre, la plata, el oro, el plomo y el mercurio pueden ser reciclados
desde la electrónica. Éstos son importantes para el desarrollo de componentes
electrónicos y se han convertido en una fuente popular de reciclaje. Sin
embargo, mientras que estos otros metales pueden ser reutilizados, se especula
sobre la ética del proceso, especialmente la exportación de productos
electrónicos a otros países donde pueden ser procesados o manipulados de forma insegura.
Oxidación y corrosión.
Expresado de una
manera muy general, diremos que la oxidación ocurre cuando un átomo inestable
pierde un electrón, lo que permite que el átomo forme un compuesto nuevo con
otro elemento.
Básicamente
existen dos tipos de reacciones químicas:
1) Aquellas en
las cuales reaccionan iones o moléculas sin cambio aparente de la estructura
electrónica de las partículas, y
2) Reacciones en
las cuales los iones o átomos experimentan cambios de estructura electrónica.
En el segundo
tipo de reacción puede haber transferencia real de electrones de una partícula
a otra o la forma en que se compartan los electrones puede modificarse. Este
último tipo de reacción que involucra cambios electrónicos se llama reacción de
oxidación-reducción.
Originalmente,
el término oxidación se asignó a la combinación del oxígeno con otros
elementos. Existían muchos ejemplos conocidos de esto. El hierro se enmohece y
el carbón arde. En el enmohecimiento, el oxígeno se combina lentamente con el
hierro formando óxido ferroso (Fe2 O3); en la combustión, se combina
rápidamente con el carbón para formar CO2. La observación de estas reacciones
originó los términos oxidación “lenta” y "rápida”.
Sin embargo, los
químicos observaron que otros elementos no metálicos se combinaban con las
sustancias de la misma manera que lo hacia el oxígeno con dichas sustancias. El
oxígeno, el antimonio y el sodio arden en atmósfera de cloro y el hierro en
presencia de flúor. Como estas reacciones
eran semejantes, los químicos dieron una definición de oxidación más
general. Los reactantes O2 o Cl2, eliminaban electrones de cada elemento. Por
tanto, la oxidación se definió como el proceso mediante el cual hay pérdida
aparente de electrones de un átomo o ión.
La corrosión se
define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque
electroquímico por su entorno. De manera más general, puede entenderse como la
tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de
menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción
electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en
alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido en contacto con el
metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no
metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos. El proceso de
corrosión es natural y espontáneo.
La corrosión es
una reacción química (oxidorreducción) en la que intervienen tres factores: la
pieza manufacturada, el ambiente y el agua, o por medio de una reacción
electroquímica.
Los factores más
conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como
la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y
sus aleaciones (bronce, latón).
Sin embargo, la
corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales
(metales, cerámicas, polímeros, etc.) y todos los ambientes (medios acuosos,
atmósfera, alta temperatura, etc.).
Es un problema
industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y,
además, representa un costo importante, ya que se calcula que cada pocos
segundos se disuelven 5 toneladas de acero en el mundo, procedentes de unos
cuantos nanómetros o picómetros, invisibles en cada pieza pero que,
multiplicados por la cantidad de acero que existe en el mundo, constituyen una
cantidad importante.
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