Metal

 

O cobre, que se presenta en forma nativa, pode ser o primeiro metal descuberto, dado o seu aspecto distintivo, a súa pesadez e a súa maleabilidade en comparación con outras pedras ou seixos. O ouro, a prata, o ferro (en forma de ferro meteórico) e o chumbo tamén se descubriron na prehistoria. Desta época proceden as formas de latón, unha aliaxe de cobre e zinc fabricada mediante a fundición simultánea dos minerais destes metais (aínda que o zinc puro non se illou ata o século XIII). A maleabilidade dos metais sólidos deu lugar aos primeiros intentos de fabricar adornos, ferramentas e armas de metal. De cando en vez descubríase ferro meteórico que contiña níquel e que, nalgúns aspectos, era superior a calquera aceiro industrial fabricado ata a década de 1880, cando os aceiros aleados cobraron protagonismo.^[6]

Metais como o ouro, a prata, o ferro e o cobre, foron utilizados desde a prehistoria. Ao principio, só usáronse os que se atopaban facilmente en estado puro (en forma de elementos nativos), pero paulatinamente foise desenvolvendo a tecnoloxía necesaria para obter novos metais a partir dos seus menas, quentándoos nun forno mediante carbón de madeira.

 

O descubrimento do bronce (unha aliaxe de cobre con arsénico ou estaño) permitiu crear obxectos metálicos máis duros e duradeiros que antes. As ferramentas, armas, armaduras e materiais de construción de bronce, como as tellas decorativas, eran máis duros e duradeiros que os seus predecesores de pedra e cobre ("Calcolítico"). Inicialmente, o bronce fabricábase con cobre e arsénico (formando bronce arsenical) mediante a fundición de minerais de cobre e arsénico mesturados de forma natural ou artificial.^[7] Do quinto milenio antes de Cristo son os artefactos máis antigos coñecidos ata o de agora que proceden da meseta iraniana.^[8] Só máis tarde utilizouse o estaño, que se converteu a finais do terceiro milenio a.C. no principal ingrediente non-cobre do bronce.^[9] O estaño puro foi illado por primeira vez no 1800 a.C. por metalúrxicos chineses e xaponeses.

O mercurio era coñecido polos antigos chineses e indios antes do ano 2000 a.C. e achouse en tumbas exipcias de 1500 a.C.

A primeira produción coñecida de aceiro, datada en 1800 a.C.^[10][11], é unha aliaxe de ferro e carbono que se conserva en pezas de ferraxería que foron escavadas no sitio arqueolóxico de Kaman-Kalehöyük (Anatolia) e teñen case 4.000 anos de antigüidade.

Ao redor do ano 500 a.C., os fabricantes de espadas de Toledo, (España) fabricaban as primeiras formas de aceiro de aliaxe engadindo un mineral chamado volframita, que contiña volframio e manganeso, ao mineral de ferro (e carbono). O aceiro toledano resultante chamou a atención de Roma cando o utilizou Haníbal nas guerras púnicas. Pronto se converteu na base do armamento das lexións romanas; ditas espadas eran, "máis fortes na súa composición que calquera espada existente e, debido a que... [non] rompían, proporcionaban unha vantaxe psicolóxica ao soldado romano".^[12]

Na América precolombiana, os obxectos de tumbaga, unha aliaxe de cobre e ouro, empezaron a producirse en Panamá e Costa Rica entre os anos 300 e 500 da nosa era. Eran comúns as pequenas esculturas de metal e unha ampla gama de adornos de tumbaga (e ouro) formaban parte do enxoval habitual das persoas de alto status.

Aproximadamente na mesma época, os indíxenas ecuatorianos combinaban ouro cunha aliaxe natural de platino que contiña pequenas cantidades de paladio, rodio e iridio, para producir miniaturas e máscaras compostas dunha aliaxe de ouro branco e platino. Os traballadores do metal quentaban o ouro con grans da aliaxe de platino ata que o ouro fundíase, momento no que os metais do grupo do platino quedaban ligados ao ouro. Despois de arrefriarse, o conglomerado resultante se martilleaba e requentábase repetidamente ata que se volvía tan homoxéneo coma se todos os metais en cuestión se fundiran xuntos (alcanzar os puntos de fusión dos metais do grupo do platino en cuestión estaba fóra do alcance da tecnoloxía da época).^{[13][n. 1]}

•  
  Unha pinga de estaño fundido e solidificado
•  
  Mercurio sendo
  vertido nunha placa de Petri
•  
  O electrum, unha aliaxe natural de prata e ouro, utilizábase a miúdo para fabricar moedas. No anverso aparece o deus romano Apolo e un trípode de Delfos (circa 310-305 a.C.).
•  
  Prato de estaño, unha aliaxe de 85-99% de estaño e (normalmente) cobre. O estaño empezouse a utilizar a principios da Idade de Bronce en Oriente Próximo.
•  
  Un pectoral (coraza ornamental) de tumbaga, unha aliaxe de ouro e cobre

Os alquimistas árabes e medievais crían que todos os metais e a materia estaban compostos polo principio do xofre, o pai de todos os metais e portador da propiedade de combustible, e o principio do mercurio, a nai de todos os metais^{[n. 2]} e portador das propiedades de liquidez, fusibilidade e volatilidade. Estes principios non eran necesariamente as substancias comúns xofre e mercurio que se atopan na maioría dos laboratorios. Esta teoría reforzaba a crenza de que todos os metais estaban destinados a converterse en ouro nas entrañas da terra mediante as combinacións adecuadas de calor, dixestión, tempo e eliminación de contaminantes, todo o cal podía desenvolverse e acelerarse mediante os coñecementos e métodos da alquimia.^{[n. 3]}

Coñecéronse o arsénico, o cinc, o antimonio e o bismuto, aínda que ao principio chamóuselles semimetais ou metais bastardos polo seu carácter inmóbil. É posible que os catro se utilizasen incidentalmente en épocas anteriores sen recoñecer a súa natureza. Crese que Alberte o Magno foi o primeiro en illar o arsénico dun composto en 1250, quentando xabón xunto con trisulfuro de arsénico. O zinc metálico, que é fráxil se é impuro, illouse na India cara ao ano 1300. A primeira descrición dun procedemento para illar o antimonio atópase no libro de 1540 De la Pirotechnia de Vannoccio Biringuccio. O bismuto foi descrito por Georgius Agricola en De natura fossilium (c. 1546); confundiuse nos primeiros tempos co estaño e o chumbo polo seu parecido con estes elementos. Contra o 1400 comezaron a empregarse os fornos provistos de foles,^[14] que permiten alcanzar a temperatura de fusión do ferro, uns 1535 °C.

•  
  Arsénico, selado nun recipiente para evitar que se embace
•  
  Fragmentos de zinc e un cubo de 1 cm³
•  
  Antimonio, mostrando o seu brillo brillante
•  
  Bismuto en forma cristalina, cunha capa de oxidación moi fina, e un cubo de bismuto de 1 cm³

 

 

 

 

O primeiro texto sistemático sobre as artes da minería e a metalurxia foi De la pirotechnia (1540) (1540) de Vannoccio Biringuccio, que trata do exame, a fusión e o traballo dos metais.

Dezaseis anos máis tarde, Georgius Agricola publicou en 1556 De re metallica, un relato claro e completo da profesión da minería, a metalurxia e as artes e ciencias accesorias, ademais de cualificarse como o maior tratado sobre a industria química ao longo do século XVI.

No seu De natura fossilium, Agricola, deu a seguinte descrición dun metal (1546):

O metal é un corpo mineral, por natureza líquido ou algo duro. Este último pode ser fundido pola calor do lume, pero cando se arrefriou de novo e perdeu toda a calor, volve ser duro e retoma a súa forma propia. Neste aspecto diferénciase da pedra que se funde no lume, pois aínda que esta recupere a súa dureza, perde a súa forma e propiedades prístinas.

Tradicionalmente existen seis tipos de metais diferentes, a saber, o ouro, a prata, o cobre, o ferro, o estaño e o chumbo. En realidade hai outros, pois o azougue é un metal, aínda que os alquimistas non están de acordo con nós neste tema, e o bismuto tamén o é. Os antigos escritores gregos parecen ignorar o bismuto, polo que Amonio afirma con razón que hai moitas especies de metais, animais e plantas que nos son descoñecidas. O estibio, cando se funde no crisol e refínase, ten tanto dereito a ser considerado como un metal propio como o que os escritores conceden ao chumbo. Se cando se funde, engádese unha certa porción ao estaño, prodúcese unha aliaxe para libreiros coa que se fai o tipo que utilizan os que imprimen libros en papel.

Cada metal ten a súa propia forma que conserva cando se separa dos metais que se mesturaron con el. Por tanto, nin o electrum nin o stannum [non se refire ao noso estaño] son en si mesmos un verdadeiro metal, senón unha aliaxe de dous metais. O electrum é unha aliaxe de ouro e prata, o stannum de chumbo e prata. Con todo, se se separa a prata do electrum, queda o ouro e non o electrum; se se quita a prata do stannum, queda o chumbo e non o stannum.

Con todo, non se pode determinar con certeza se o latón é un metal nativo ou non. Só coñecemos o latón artificial, que consiste en cobre tinguido coa cor do mineral calamina. E con todo, se se desenterrara algún, sería un metal propiamente devandito. O cobre branco e o negro parecen ser diferentes do vermello.

O metal, por tanto, é por natureza ou ben sólido, como dixen, ou ben fluído, como no caso único do azougue.

Pero xa abonda de falar dos tipos simples.^[15]

O platino, terceiro metal precioso despois do ouro e a prata, foi descuberto en Ecuador entre 1736 e 1744 polo astrónomo español Antonio de Ulloa e o seu colega o matemático Jorge Juan y Santacilia. Ulloa foi o primeiro en escribir unha descrición científica do metal, en 1748.

En 1789, o químico alemán Martin Heinrich Klaproth conseguiu illar un óxido de uranio, que pensou que era o propio metal. Posteriormente, Klaproth foi recoñecido como o descubridor do uranio. Non foi ata 1841 cando o químico francés Eugène-Melchior Péligot puido preparar a primeira mostra de uranio metálico. Posteriormente, Henri Becquerel descubriu a radioactividade en 1896 utilizando o uranio.

Na década de 1790, Joseph Priestley e o químico holandés Martinus van Marum observaron a acción transformadora das superficies metálicas na deshidrogenación do alcol, un desenvolvemento que posteriormente conduciu, en 1831, á síntese a escala industrial do ácido sulfúrico utilizando un catalizador de platino.

En 1803, o cerio foi o primeiro dos metais lantánidos en ser descuberto, en Bastnäs (Suecia) por Jöns Jakob Berzelius e Wilhelm Hisinger, e independentemente por Martin Heinrich Klaproth en Alemaña. Os metais lantánidos consideráronse en gran medida como rarezas ata a década de 1960, cando se desenvolveron métodos para separalos de forma máis eficaz. Posteriormente utilizáronse en teléfonos móbiles, imáns, láseres, iluminación, baterías, convertidores catalíticos e outras aplicacións que permiten as tecnoloxías modernas.

Outros metais descubertos e preparados durante esta época foron o cobalto, o níquel, o manganeso, o molibdeno, o tungsteno e o cromo; e algúns dos metais do grupo do platino, o paladio, o osmio, o iridio e o rodio.

Todos os metais descubertos ata 1809 tiñan densidades relativamente altas; a súa pesadez considerábase un criterio distintivo singular. A partir de 1809 illáronse metais lixeiros como o sodio, o potasio e o estroncio. As súas baixas densidades desafiaron a sabedoría convencional sobre a natureza dos metais. Con todo, desde o punto de vista químico comportábanse como metais e foron recoñecidos como tales.

O aluminio foi descuberto en 1824 pero non foi ata 1886 cando se desenvolveu un método de produción industrial a grande escala. Na década de 1890 e principios do século XX, os prezos do aluminio baixaron e o seu uso xeneralizouse en xoiería, artigos de uso cotián, monturas de lentes, instrumentos ópticos, vaixelas e papel de aluminio. A capacidade do aluminio para formar aliaxes duras e lixeiras con outros metais deulle moitos usos naquela época. Durante a primeira guerra mundial, os principais gobernos demandaron grandes cantidades de aluminio para fabricar fuselaxes lixeiras e resistentes. Na actualidade, o metal máis utilizado para a transmisión de enerxía eléctrica é o cable condutor de aluminio reforzado con aceiro (ACRS). Tamén se utiliza moito o condutor de aliaxe de aluminio. O aluminio utilízase porque pesa aproximadamente a metade que un cable de cobre de resistencia comparable (aínda que ten maior diámetro debido a súa menor condutividade específica), ademais de ser máis barato. O cobre foi máis popular no pasado e aínda se utiliza, especialmente a tensións máis baixas e para a conexión a terra.

Aínda que o titanio metálico puro (99,9%) preparouse por primeira vez en 1910, non se utilizou fóra do laboratorio ata 1932. Nas décadas de 1950 e 1960, a Unión Soviética foi pioneira no uso do titanio en aplicacións militares e submarinas como parte de programas relacionados coa guerra fría. A partir de principios da década de 1950, o titanio empezou a utilizarse amplamente na aviación militar, sobre todo en reactores de alto rendemento, empezando por avións como o F-100 Super Sabre e os Lockheed A-12 e SR-71.

O escandio metálico produciuse por primeira vez en 1937. En 1960 produciuse a primeira libra de escandio metálico cunha pureza do 99%. A produción de aliaxes de aluminio e escandio comezou en 1971 grazas a unha patente estadounidense. Na URSS tamén se desenvolveron aliaxes de aluminio e escandio.

•  
  Anacos de sodio.
•  
  Perlas de potasio baixo aceite de parafina. O tamaño da perla máis grande é 0,5 cm.
•  
  Cristais de estroncio.
•  
  Anaco de aluminio,
  2.6 grams, 1 x 2 cm.
•  
  Unha barra de cristais de titanio.
•  
  Escandio, incluíndo un cubo de 1 cm³.

A era moderna na fabricación de aceiro comezou coa introdución do proceso de Bessemer de Henry Bessemer en 1855, cuxa materia prima era o ferro bruto. O seu método permitiulle producir aceiro en grandes cantidades a un prezo económico, polo que o aceiro suave pasou a utilizarse para a maioría dos fins para os que antigamente se usaba ferro forxado. Tras numerosos intentos fracasados, deu cun novo deseño de forno (o convertidor Thomas-Bessemer) e, a partir de entón, mellorou a construción de estruturas en edificios e pontes, pasando o ferro a un segundo plan. O proceso Gilchrist-Thomas (ou proceso básico de Bessemer ) foi unha mellora do proceso de Bessemer, realizada mediante o revestimento do convertidor cun material básico para eliminar o fósforo.

En 1872, os ingleses Clark e Woods patentaron unha aliaxe que hoxe se consideraría un aceiro inoxidable. A resistencia á corrosión das aliaxes de ferro e cromo fora recoñecida en 1821 polo metalúrxico francés Pierre Berthier. Observou a súa resistencia ao ataque dalgúns ácidos e suxeriu o seu uso en cuchillería. Os metalúrxicos do século XIX eran incapaces de producir a combinación de baixo contido en carbono e alto contido en cromo que se atopa na maioría dos aceiros inoxidables modernos, e as aliaxes con alto contido en cromo que podían producir eran demasiado fráxiles para ser prácticas. Non foi ata 1912 cando se produciu a industrialización das aliaxes de aceiro inoxidable en Inglaterra, Alemaña e os Estados Unidos.

Pouco despois empregouse o aluminio e o magnesio, que permitiron desenvolver aliaxes moito máis lixeiras e resistentes, moi empregadas en aviación, transporte terrestre e ferramentas portátiles. O titanio, é o último dos metais abundantes e estables cos que se está a traballar e espérase que, en pouco tempo, o uso da tecnoloxía do titanio se xeneralice.

Cara a 1900 quedaban por descubrir tres metais con número atómico inferiores ao chumbo (#82), o metal estable máis pesado: os elementos 71, 72 e 75.

Von Welsbach, en 1906, demostrou que o antigo iterbio tamén contiña un novo elemento (#71), ao que denominou casiopeio. Urbain demostrouno simultaneamente, pero as súas mostras eran moi impuras e só contiñan trazas do novo elemento. A pesar diso, adoptou o nome de lutecio.

En 1908, Ogawa atopou o elemento 75 a torianita, pero asignouno como elemento 43 no canto de 75 e denominouno nipponio. En 1925, Walter Noddack, Ida Eva Tacke e Otto Berg anunciaron a súa separación da gadolinita e déronlle o nome actual de renio.

Georges Urbain afirmou atopar o elemento 72 en residuos de terras raras, mentres que Vladimir Vernadsky atopouno de forma independente na ortita. Ningunha das dúas afirmacións confirmouse debido á primeira guerra mundial, e ningunha puido confirmarse máis tarde, xa que a química da que informaron non coincide coa que agora se coñece para o hafnio. Despois da guerra, en 1922, Coster e Hevesy atopárono mediante análise espectroscópica de raios X en circón noruegués. O hafnio foi así o último elemento estable descuberto, aínda que o renio foi o último en ser recoñecido correctamente.

•  
  Lutecio, incluíndo un cubo de 1 cm³
•  
  Renio, incluíndo un cubo de 1 cm³
•  
  Hafnio, en forma de barra de 1,7 kg

A finais da segunda guerra mundial, os científicos sintetizaran catro elementos post-uranio, todos eles metais radioactivos (inestables): neptunio (en 1940), plutonio (1940-41), e curio e americio (1944), que representan os elementos 93 a 96. Os dous primeiros acabaron atopándose tamén na natureza. O curio e o americio foron subproductos do proxecto Manhattan, que produciu a primeira bomba atómica do mundo en 1945. A bomba baseábase na fisión nuclear do uranio, un metal que se cría descuberto case 150 anos antes.

 

Os superaliaxes compostos por combinacións de Fe, Ni, Co e Cr, e cantidades menores de W, Mo, Ta, Nb, Ti e Al desenvolvéronse pouco despois da segunda guerra mundial para o seu uso en motores de alto rendemento, que funcionan a temperaturas elevadas (superiores a 650 °C (1.200 °F)). Conservan a maior parte da súa resistencia nestas condicións, durante períodos prolongados, e combinan unha boa ductilidade a baixas temperaturas con resistencia á corrosión ou a oxidación. Na actualidade, os superaliaxes poden atoparse nunha ampla gama de aplicacións, como turbinas terrestres, marítimas e aeroespaciais, e plantas químicas e petrolíferas.

 

Os metais posúen propiedades características, entre elas que son condutores da electricidade. A maioría deles son de cor agrisada, mais outros presentan cores distintas: o bismuto (Bi) é rosado, o cobre (Cu) avermellado e o ouro (Au) amarelo. Noutros metais aparece máis dunha cor; este fenómeno denomínase policromismo.

Outras propiedades serían:

• Maleabilidade: capacidade dos metais de facerse láminas ao seren sometidos a esforzos de compresión.
• Ductilidade: propiedade dos metais de moldeárense en arames e fíos ao seren sometidos a esforzos de tracción.
• Tenacidade: resistencia que presentan os metais ao rompérense ou recibiren forzas bruscas (golpes etc.)
• Resistencia mecánica: capacidade para resistir esforzo de tracción, compresión, torsión e flexión sen deformárense nin romperen.

A ciencia de materiais define un metal como un material no que existe un solapamente entre a banda de valencia e a banda de condución na súa estrutura electrónica (enlace metálico). Isto dáslle a capacidade de conducir de xeito doado calor e electricidade, e xeralmente a capacidade de reflectir a luz, o cal lles dá o seu brillo.

 

Algúns metais atópanse en forma de elementos nativos, como o ouro, a prata e o cobre, aínda que non é o estado máis usual.

Moitos metais atópanse en forma de óxidos. O osíxeno, ao estar presente en grandes cantidades na atmosfera, combínase moi facilmente cos metais, que son elementos redutores, formando compostos como o corindón (Al₂O₃) e a hematita (Fe₂O₃).

Os sulfuros constitúen o tipo de mena metálica máis frecuente. Neste grupo destacan o sulfuro de cobre (I), Cu₂S, o sulfuro de mercurio (II), HgS, o sulfuro de chumbo, PbS e o sulfuro de bismuto (III), Bi₂S₃.

Os metais alcalinos, ademais do berilio e do magnesio, adoitan extraerse a partir dos cloruros depositados debido á evaporación de mares e lagos, aínda que tamén se extraen da auga do mar. O exemplo máis característico é o cloruro sódico ou sal común, NaCl.

Algúns metais alcalinotérreos, o calcio, o estroncio e o bario, obtéñense a partir dos carbonatos insolubles en que están inseridos.

Por último, os lantánidos e os actínidos adoitan obterse a partir dos fosfatos, que son uns sales en que poden estar incluídos.

Algúns metais que están destinados a un uso especial, son o antimonio, o cadmio ou o litio.

Os pigmentos amarelos e laranxas do cadmio son moi buscados pola súa grande estabilidade, como protección contra a corrosión, para as soldaduras e as aliaxes correspondentes e na fabricación de baterías de níquel e cadmio, consideradas excelentes pola seguridade do seu funcionamento. Tamén se emprega como estabilizador nos materiais plásticos (PVC) e como aliaxe para mellorar as características mecánicas do arame de cobre.^[16] A súa produción lévase a cabo no momento da refinación de zinc, co que está ligado, e trátase dun perigoso contamiante.

O litio, metal lixeiro, emprégase na cerámica e nos cristais, como catalizador de polimerización e como lubricante, así como para a obtención do aluminio mediante electrólise. Tamén se emprega para soldar, nas pilas e nas baterías para reloxos, en medicina e en química.

O níquel, a causa da súa elevada resistencia á corrosión, serve para niquelar os obxectos metálicos, coa fin de protexelos da oxidación e de darlles un brillo inalterable na intemperie.

O denominado «ferro branco» é, en realidade, unha lámina de aceiro doce que recibe un baño de cloruro de zinc fundido, e á que se dá despois un revestimento especial de estaño.

 

Os metais poden formar aliaxe entre si e clasifícanse en:

• Ultralixeiras: Densidade en g/cm³ inferior a 2. Os máis comúns deste tipo son o magnesio e o berilio.
• Lixeiras: Densidade en g/cm³ inferior a 4,5. Os máis comúns deste tipo son o aluminio e o titanio.
• Pesadas: Densidade en g/cm³ superior a 4,5. Son a maioría dos metais.

Referencias

• Metais e aliaxes de cuñaxe

• Metais, Mundo Vestibular
• Alguns metais não ferrosos, MSPC - Informações Técnicas
• Metal Pesado, Super Interessante
• Metais, Departamento de Arquitetura / Universidade Federal de Santa Catarina Arquivado 30 de setembro de 2013 en Wayback Machine.
• Quais são os metais mais preciosos que existem?, Marina Motomura