Disciplina de Didctica da Qumica I

Texto de Apoio

Metais e Ligas Metlicas

Adaptado de: V. Gil, J. C. Paiva, A. Ferreira, J. Vale, 12 Q - Qumica 12 Ano, Texto Editores, Lisboa. 2005.

Unidade I Metais

1.1 METAIS E LIGAS METLICAS 1.1.1 A importncia dos metais

Metais por todo o lado A forma como os metais ocorrem na Terra e na histria da Humanidade A explorao mineira, o Ambiente e os metais como matrias-primas no renovveis

Metais por todo o lado

Quando num ensaio de uma orquestra sinfnica o maestro sussurra entram os metais, aos instrumentos metlicos, como as trompas, trompetes e trombones, que ele se refere e no, certamente, Tabela Peridica dos Elementos, onde cerca de 80% dos lugares so ocupados por smbolos de metais. Quando um jovem vibra num concerto heavy metal, no de intoxicao por metais pesados, como o mercrio, o crmio e o cdmio, que se trata. Mudando de registo, quando um doente com anemia tem de tomar ferro, no de pregos que precisa (salvo, se a palavra for tomada no sentido gastronmico), mas de produtos alimentares com compostos de ferro em aprecivel quantidade. A palavra metal deriva de mtallon (que significa mina, em grego) e assume, nos nossos dias, vrios significados conforme o contexto em que utilizada. No mbito da Qumica, a palavra ferro, por exemplo, pode referir-se ao material slido com esse nome utilizado em mltiplas aplicaes pontes e linhas de caminho de ferro (pois claro), comboios e outras viaturas, edifcios, mquinas agrcolas, instrumentos industriais, mobilirio, utenslios domsticos, etc. ou aos ies ferro, que por exemplo, intervm na constituio da hemoglobina (que a vida aguenta), ou fazem parte da ferrugem (que atormenta) (Fig. 1.1).

Fig. 1.1 O elemento ferro por todo o lado: vias frreas, utenslios domsticos, ferrugem e clulas vermelhas do sangue so s alguns exemplos.

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1.1 Metais e ligas metlicas

Como os ies ferro so tomos de ferro com deficincia de electres, utilizam-se os smbolos Fe2+ e Fe3+ para os seus ies, respectivamente com 2 e 3 electres a menos em relao ao tomo neutro, Fe. A designao elemento ferro aplica-se tanto a tomos Fe (incluindo os seus vrios istopos) como aos ies Fe2+ e Fe3+. O smbolo qumico do elemento ferro Fe, j que a palavra em latim ferrum. Por exemplo, para um estudante portugus fixar este smbolo mais fcil do que para um estudante ingls, espanhol ou alemo, em que a palavra respectiva iron, hierro e eisen. Para j no falar num estudante chins, que usa o smbolo Fe e a palavra . Suponha que, por um imaginrio passe de mgica, todo o ferro da localidade em que vive... simplesmente desaparecia (considere, para j, apenas o material slido Fe(s) e no o elemento Fe; isto , admita que continua a existir, com o seu corao a bombear o sangue e a respectiva hemoglobina que leva o oxignio a todas as clulas). As cofragens das casas e os pr-esforados dos pavimentos e telhados perderiam resistncia e o resultado seriam brechas em toda a estrutura, que cedo acabaria por ruir. Os automveis parariam quase irreconhecveis, transformados num amontoado de flcidos pneus, plsticos diversos e vrias peas e revestimentos feitos de outros metais, como o alumnio e o crmio. Olhe sua volta (pontes, linhas de caminho de ferro, etc.) e logo completar este cenrio de destruio, embora, em alguns casos, tenha dvida se o metal utilizado ferro ou outro. A tabela 1.1 mostra algumas das principais utilizaes de vrios metais e seus ies.
Nome do elemento Alumnio Cobre Crmio Ferro Ouro Prata Titnio Exemplo de aplicao enquanto metal Portas e janelas, trens de cozinha, avies Tubagens, fios elctricos Revestimentos cromados, ferramentas Edifcios, automveis, navios, pontes Joalharia, reserva monetria, revestimento de satlites Joalharia, soldadura Ferramentas, avies Exemplo da relevncia na forma de io Sulfato de alumnio, Al2(SO4)3; tratamento de guas Sulfato de cobre, CuSO4; fungicida xido de crmio (VI), CrO3; tratamento de madeira xido de ferro (III) hidratado, Fe2O3.xH2O; ferrugem Complexos de ouro (I) com cido tiomlico, tratamento da artrite reumatide Brometo de prata, AgBr; fotografia xido de titnio (IV), TiO2; pigmento

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Smbolo qumico Al Cu Cr Fe Au Ag Ti

Tab. 1.1

Relevncia prtica de alguns metais e seus ies.

Os efeitos no seriam muito diferentes dos que acima se descrevem se, por um rapidssimo passe de Qumica, todo o ferro fosse transformado em ies positivos. O termo oxidado o adjectivo correcto para esta transformao. Ferrugem seria o destino imediato do metal e desmoronamento, a consequncia inevitvel de todas as estruturas mveis ou imveis dependentes de ferro, j que a ferrugem no possui a consistncia do metal, alm de que ocupa maior volume.
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Unidade I Metais

Bem sabemos que a oxidao do ferro um processo real e corroso a palavra que reflecte a carga (semntica) negativa deste fenmeno mas, felizmente, relativamente lento, sobretudo se forem tomadas algumas medidas anti-corroso. Sabe a quanto amontam os prejuzos da corroso metlica em Portugal? As estimativas apontam para 4-6% do PIB (Produto Interno Bruto), ou seja, cerca de 3 mil milhes de euros! Mas, para no se terminar estes primeiros pargrafos num registo negativo, bom lembrar que, alm de haver formas de contrariar a corroso dos metais, tambm h oxidaes teis, como sucede com a obteno de corrente elctrica a partir de pilhas (Fig. 1.2). O Captulo 1.2 abordar estes assuntos, na dupla perspectiva dos conceitos qumicos e da prtica laboratorial.
A Fig. 1.2 A oxidao dos metais est na origem de fenmenos indesejveis de corroso (A) mas tambm muito til na obteno de corrente elctrica a partir de pilhas (B). B

A forma como os metais ocorrem na Terra e na histria da Humanidade

A histria da Humanidade est intimamente relacionada com o aparecimento de novos materiais e novas tcnicas. Os metais desempenham um papel fundamental nesta evoluo histrica. Este facto no constitui admirao j que os metais constituem cerca de 80% dos elementos qumicos conhecidos (Fig. 1.3). No entanto, o seu uso relativamente recente, porque, na sua maior parte, os metais no se encontram livres na natureza mas combinados com outros elementos, em regra oxignio ou enxofre, formando compostos de onde tm de ser extrados.
1
G

H
3

1,01 Hidrognio S 4 S

Metais
5
S 6 S 7 G 8 G 9

4,00 Hlio G 10 G

He

6,94 9,01 Ltio Berlio S 12 S 11

Li

Be

Semi-metais No-metais
S 22 S 23 S 24 S 25 S 26 S 27 S 28 S 29 S 30

20,18 10,81 12,01 14,01 16,00 18,99 Non Boro Carbono Azoto Oxignio Flor G 18 G S 15 S 16 S 17 S 14 13 39,95 26,98 28,09 30,97 32,06 35,45 Alumnio rgon Silcio Fsforo Enxofre Cloro S 31 L 36 G L 32 S 34 S 35 S 33

Ne

Na 22,99 Mg24,31
Sdio

Al

Si

Cl

Ar

19

Magnsio S 20 S 21

37

65,39 83,80 39,10 54,94 69,72 40,08 55,85 72,61 44,96 58,93 74,92 47,87 58,69 78,96 50,94 63,55 79,90 51,99 Zinco Crpton Potssio Mangans Glio Escndio Clcio Ferro Germnio Cobalto Arsnio Titnio Nquel Selnio Vandio Cobre Bromo Crmio S 49 S 43 S 45 S 40 S 47 S 39 S 42 S 54 S 38 S 50 G S 51 S 46 S 41 S 48 S 52 S 53 44 87,62 Estrncio L 56 S

Ca

Sc

Ti

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga In

Ge

As

Se

Br I

Kr

Rb 85,47 Sr
Rubdio

Y
57

88,91 trio

Zr
72

55
Csio

Cs 132,91 Ba137,33
Brio L 88 S (226) Rdio

* S

(98) 112,41 114,82 131,29 101,07 118,71 102,91 91,22 121,75 106,42 127,60 92,91 107,87 126,90 95,94 Cdmio Xnon ndio Rutnio Estanho Rdio Zircnio Antimnio Paldio Telrio Nibio Prata Iodo Molibdnio Tecncio S 75 S 77 S 78 S 73 S 76 S 74 S 80 L 81 S 79 S 82 S 83 S 84 G S 85 S 86 192,22 Irdio

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

Sn

Sb

Te

Xe

La 138,91
Lantnio

Hf 178,49 Ta 180,95 W 183,84 Re 186,21 Os 190,23 Ir

Hfnio Tntalo Tungstnio Rnio smio

Pt 195,08 Au196,97 Hg 200,59 Tl

Platina Ouro Mercrio

204,38 Tlio

Pb207,20 Bi 208,98 Po
Chumbo Bismuto S

(209) Polnio

At

(210) Astato

Rn
118

(222) Rdon

87

104

105

106
Seabrgio

107
Bhrio

108
Hssio

109
Meitnrio

110
(269) Darmstdio

111
Ununnio

112
Unmbio

114

116

Fr

(223) Frncio

Ra

89

Ac (227)
Actnio

*S *

Rf

(261) Rutherfrdio

Db

(262) Dbnio

Sg (263) Bh (264) Hs (265) Mt (268) Ds

Uuu Uub (272) (277)

Uuq

(285) Ununqudio

Uuh (289)
Ununhxio

Uuo (293)
Ununctio

Fig. 1.3 A maioria dos elementos da Tabela Peridica so metais.

58
Crio

S 59

S 60

S 61

62

S 63

S 64

S 65

Ce140,12 Pr 140,91 Nd144,24 Pm(145) Sm

90
Trio Praseodmio Neodmio Promcio S 93 S 91 S 92 238,03 Urnio

150,36 Samrio

Eu151,96 Gd Tb158,93 Dy162,50 Ho164,93 Er 167,26 Tm168,93 Yb173,04 Lu174,97 157,25

Eurpio Gadolnio Trbio Disprsio Hlmio rbio Tlio Itrbio Lutcio

S 66

S 67

S 68

S 69

S 70

S 71

94
Plutnio

95
Amercio

96
Crio

97
Berqulio

98
(251) Califrnio

99

100
Frmio

Th232,04 Pa231,04 U
Protactnio

Cf Np (237) Pu (244) Am(243) Cm (247) Bk (247)

Neptnio

Es

(252) Einstinio

Fm (257) Md (258) No (259) Lr

Mendelvio Noblio

101

102

103
(262) Laurncio

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Unidade I Metais

Ligas metlicas
Outra consequncia directa da estrutura dos metais a possibilidade de se formarem ligas metlicas, normalmente misturas homogneas de um metal com um ou mais elementos metlicos ou no metlicos. Trata-se, ento, de verdadeiras solues slidas, obtidas a partir da mistura dos componentes fundidos, seguida de arrefecimento. Com efeito, fcil imaginar a substituio de alguns cernes na estrutura do metal principal, normalmente um metal de transio, por tomos de outros elementos, mantendo-se, na essncia, o mar de electres. Alternativamente, quando os raios atmicos so muito diferentes, os tomos mais pequenos ocupam os intervalos entre os maiores (ligas metlicas intersticiais). Os metais predominantes nas ligas metlicas so metais de transio. Por exemplo, o bronze uma liga de cobre e estanho. A tabela 1.4 mostra os principais componentes de vrias ligas e aplicaes destas.

Fig. 1.24 Imagem obtida por microscopia de efeito tnel de tomos de ouro sobre um substracto de grafite.

Tipo de liga Aos Ao inox Amlgamas Bronze

Questo 1.9

Composio Ferro + carbono (0,2% - 2%) Ferro + crmio (+ nquel) Mercrio + outro metal Cobre + estanho Cobre + nquel Cobre + nquel Alumnio + cobre Cobre + zinco Nquel + titnio Ouro + prata + cobre Ouro + zinco + cobre ou ouro + nquel + paldio Chumbo + Estanho

Aplicaes Construo civil, indstria metalomecnica, ferramentas Peas de mquinas, tubagem, utenslios, ferramentas Deposio de metais em camada delgada, medicina* Peas para navios, parafusos, escultura, objectos decorativos Termopares metlicos, resistncias elctricas Tubagens, moedas Aeronutica, automveis de competio. Construes metlicas, utenslios Medicina, segurana contra incndios, armao de culos, joalharia Joalharia, cunhagem de moeda Joalharia Soldadura

Constantan Cupronquel Duralumnio Lato Nitinol Ouro amarelo Ouro branco

Tab. 1.4

Solda

Ligas metlicas: principais componentes e algumas aplicaes.

*At h bem pouco tempo, usavam-se amlgamas de prata na obturao de dentes. Porm, a demonstrao de que libertavam mercrio, altamente txico, viria a conduzir sua substituio por compsitos cermicos.

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1.1 Metais e ligas metlicas

H, em princpio, uma infinidade de possibilidades para a composio, qualitativa e quantitativa, de ligas metlicas, umas mais interessantes do que outras em termos de aplicaes prticas. Por exemplo, uma liga de ferro e carbono, com cerca de 4% deste elemento, tem pouco interesse prtico por ser muito quebradia. J com uma percentagem de 0,1% de carbono, possvel fabricar arames finos, como sucede com os vulgares clips e agrafos. Com 1% de carbono, obtm-se uma liga ainda mais resistente, utilizada, por exemplo, em arames para estruturas como pneus de automveis. A adio de outros componentes em pequena proporo pode conduzir a propriedades bastante diferentes. Por exemplo, a presena no ao, de metais como mangansio (ou mangans), Mn, molibdnio, Mo, tungstnio (ou volfrmio), W, e vandio, V (para alm de Cr e Ni que intervm no ao inox) permite obter ligas extremamente resistentes como as necessrias, por exemplo, ao fabrico de ferramentas (Fig. 1.25). Parte desta resistncia devida formao de carbonetos, designadamente com W e V; trata-se de microcristais formados por associao de tomos de carbono com tomos do metal. A incluso de chumbo (baixo ponto de fuso) na constituio do bronze torna o material menos duro. Note-se que o prprio ouro de joalharia no ouro puro, visto que o ouro puro relativamente quebradio. Com a adio de prata e cobre obtm-se um material mais dctil. O ouro puro designa-se por ouro de 24 quilates (24 K). O ouro puro por vezes encarado como representando o ouro de lei. Trata-se de uma associao infeliz dado que o ouro de lei refere-se a qualquer tipo de ouro permitido pela lei. H vrios anos atrs, o ouro de lei em Portugal referia-se ao ouro 19,2 K. Actualmente este no o nico. Ao ouro de 18 K corresponde uma percentagem de ouro de 75% (18/24 = 0,75) e ao ouro de 14 K uma percentagem de 58% (14/24 = 0,58). Determinadas inscries denominadas marcas de contrastaria permitem identificar a percentagem de ouro numa jia ou pea. O nitinol um exemplo de liga metlica com efeito de memria de forma. Outros exemplos so ouro + cdmio, cobre + alumnio e cobre + alumnio + nquel. Trata-se de materiais que, ao serem submetidos a uma deformao, so capazes de, espontaneamente, recuperar a forma original atravs de aquecimento moderado. O princpio bsico deste fenmeno a ocorrncia de uma mudana brusca da rede cristalina dos tomos quando o material deformado (pode falar-se de uma mudana de fase, mantendo-se o mesmo estado fsico de agregao: slido). Posteriormente, ao ser aquecido, esta nova estrutura deixa de ser estvel, e o material volta forma original. Tambm na produo de moedas se conjugam vrios metais para obter as propriedades desejadas. A Actividade Laboratorial AL 1.1 Composio de uma liga metlica prope a anlise da composio de ligas metlicas em moedas.
ACTIVIDADE LABORATORIAL

Fig. 1.25 As chaves de parafusos tm frequentemente indicao da presena de crmio e vandio.

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Unidade I Metais

Fig. 1.26 Ligas metlicas usadas em cirurgia (cortesia Admedes, Alemanha).

O arame que se lembra da sua forma

A propriedade de um arame da liga Nitinol adquire, por aquecimento, a forma que lhe tenha sido conferida anteriormente (em frio, seguida de aquecimento) deve-se existncia de duas fases cristalinas: uma estvel a temperaturas baixas e outra a temperatura alta.

Esta potencialidade de memria dos metais usada em cirurgia, quando necessrio que certas prteses cirrgicas sejam inseridas no organismo num formato diferente daquele que interessa que tenham mais tarde, temperatura corporal.

Cristais metlicos e no-metlicos

As estruturas dos metais, anteriormente consideradas, constituem exemplos simples de estruturas cristalinas, pois trata-se de tomos de um nico elemento organizados de forma contnua, embora em diferentes tipos de empacotamento regular: cristais metlicos. As outras substncias elementares no-metlicas slidas dividem-se em duas categorias, consoante as unidades estruturais sejam molculas ou simplesmente tomos ligados covalentemente uns aos outros de forma contnua. O iodo, I2 (s) um exemplo da categoria de cristais moleculares, e o diamante, C (s) um exemplo da categoria de cristais covalentes. Os compostos slidos cristalinos podem ser estruturas covalentes gigantes, como a slica (frmula emprica, SiO2), cristais moleculares como o gelo, ou cristais inicos, como o cloreto de sdio, NaCl (s), com ies Na+ e Cl organizados alternada e regularmente no espao. Em resumo, temos: Cristais metlicos Cristais no-metlicos: Cristais inicos; Cristais covalentes; Cristais moleculares. Cristais inicos Os cristais inicos so constitudos por um arranjo contnuo tridimensional de ies positivos e ies negativos, frequentemente com uma base estrutural cbica, em que as atraces de ies de carga contrria superam as repulses entre ies de igual carga. A figura 1.27 mostra a estrutura do cloreto de sdio em dois modelos. Podemos supor um cubo cujos vrtices e centros de faces so ocupados pelos ncleos de Cl e os meios das arestas e o centro do cubo ocupados pelos ncleos Na+. Como cada io est rodeado de 6 ies de carga oposta, diz-se que se trata de um exemplo de coordenao 6:6.
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