Upload
others
View
40
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
CARACTERISTICA GENERALĂ A METALELOR
Metalele se deosebesc, în stare solidă, de toate celelalte substanţe (atît
simple, cît şi compuse) prin proprietăţi caracteristice, anume prin
conductibilitatea excepţional de mare pentru căldură şi electricitate, prin
opacitate aproape totală şi printr-o mare putere de reflexie a luminii vizibile,
prin aşa numitul luciu metalic. Acest lucru se obsevă însă, de obicei, numai
în cazurile în care metalul formează o masă compactă. Este d, că magneziul
şi aluminiul îşi păstrează luciul şi în stare de pulbere, dar majoritatea
metalelor în stare fin divizată sunt de culoare neagră sau cenuşie închisă.
Metalele se mai caracterizează prin faptul că nu formează decît în cazuri
extrem de rare amestecuri omogene cu substanţele nemetalice, în timp ce au
o mare tendinţă de a forma amestecuri între ele – aliaje. Aliajele au
deasemenea proprietăţi metalice.
Poziţia în Sistemul Periodic În SP metalele sunt aranjate în partea de jos din stînga faţă de diagonala
trasată de la bor la astatiniu şi în toate subgrupele secundare. Caracteristica
principală a atomilor de metale este prezenţa unui număr mic de electroni de
valenţă, care în procesul reacţiilor chimice sunt cedaţi. Capacitatea de cedare
a electronilor de valenţă creşte odată cu mărirea numărului de nivele
electronice (în grupă de sus în jos) şi scade o dată cu creşterea numărului de
electroni de valenţă (în perioadă de la stînga spre dreapta). Cel mai activ
metal este, respectiv, franciul.
În acelaşi mod se modifică şi proprietăţile oxizilor şi hidroxizilor
metalici.
Ex: Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Fr2O
LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, FrOH
O dată cu creşterea gradului de oxidare a metalului în oxizi şi hidroxizi
caracterul lor bazic slăbeşte.
Ex: MnO, Mn2O3, MnO2, MnO3, Mn2O7.
Răspîndirea metalelor în natură. Metode de obţinere Marea majoritate a metalelor se întîlnesc în natură sub formă de
compuşi cu alte elemente. Doar puţine metale se găsesc în natură în stare
liberă – aşa numitele metale native. Aurul şi platina se întîlnesc aproape
exclusiv în stare nativă, iar argintul şi cuprul se întîlnesc parţial în stare
nativă; uneori se găsesc în stare nativă mercurul, staniul şi alte cîteva metale.
Extracţia acestor metale se face prin spălarea lor mecanică de roca în
care sunt incluse, de exemplu de separă prin spălare cu apă, fie prin extracţia
lor cu diferiţi reactivi, urmată de separarea lor din soluţie. De exemplu, aurul
poate fi separat prin metoda amalgamării, bazată pe proprietatea aurului de a
2
se combina cu mercurul, formînd un aliaj lichid, din care se îndepărtează apoi
mercurul prin distilare. Un alt procedeu este cel de cianurare, care constă în
tratarea minereului cu o soluţie diluată de cianură de sodiu, în prezenţa
aerului, care oxidează aurul la starea monovalentă:
2Au + ½O2 + H2O + 4CN- = 2[Au(CN)2]
- + 2OH
-
Complexul format se descompune electrolitic sau cu granule de zinc;
acest metal precipită aurul, trecînd el însuşi într-o cianură complexă:
2[Au(CN)2]- + Zn = [Zn(CN)4]
2- + 2Au
Zincul în exces se îndepărtează apoi cu soluţie de acid sulfuric.
Majoritatea metalelor se extrag prin prelucrarea chimică a compuşilor
lor naturali.
Combinaţiile metalelor existente în natură mai mult sau mai puţin pure
se numesc minerale. Cînd mineralele conţin o cantitate suficient de mare de
metale încît extragerea lor să fie convenabilă din punct de vedere tehnico-
economic, ele se numesc minereuri. De exemplu, minereul de fier trebuie să
conţină cel putin 30% Fe, fie în oxizi, fie în carbonaţi; minereul de cupru
trebuie să conţină cel putin 2% Cu, în sulfuri sau oxizi. Aluminiul este foarte
răspîndit în natură (al 3-a loc) în numeroşi feldspaţi, mici, argile, acestea
însă nu prezintă minereuri de aluminiu, aşa cum obţinerea lui din aceste
minerale este foarte complicată şi nerentabilă din punct de vedere economic.
Extracţia metalelor din minereuri alcătuieşte obiectul metalurgiei, una din
cele mai vechi ramuri ale industriei chimice. Principalele minereuri ale
metalelor sunt oxizii, carbonaţii, sulfurile şi sărurile acizilor tari (cloruri,
sulfaţi, nitraţi).
Metodele generale de obţinere a metalelor se clasifică în:
procedeele pirometalurgice, care se caracterizează prin faptul că
folosesc temperaturi înalte. Astfel, prăjirea şi calcinarea sunt procedee
pirometalurgice;
procedeele electrochimice folosesc curentul electric. Ele se împart la
rîndul lor în două categorii: procedee electrotermice, cînd curentul
electric folosit serveşte drept sursă de căldură, şi procedee
electrochimice, cînd curentul electric are acţiune electrolitică asupra
soluţiei sau topiturii;
procedeele hidrometalurgice cuprind toate procedeele în care metalele
se obţin prin prelucrarea minereurilor cu soluţii apoase de reactivi
chimici. De exemplu, cuprul se poate extrage şi din minereuri mai
sărace de 2% Cu, prin metode hidrometalurgice, cum este tratarea cu
acid sulfuric; metalul trece în soluţie, de unde este apoi separat.
Prin metoda pirometalurgică sunt prelucrate minereurile ce conţin oxizi,
carbonaţi, sulfuri şi unele halogenuri ale metalelor.
3
Dintre oxizi, mai importanţi sunt: Fe2O3 hematitul; Fe3O4
magnetitul; 2Fe2O3·3H2O limonitul; Al2O3·2H2O bauxita; SnO2
casiteritul; MnO2 piroluzitul; FeO·Cr2O3 cromitul.
Dintre carbonaţi, mai importanţi sunt: FeCO3 sideroza;
CuCO3·Cu(OH)2 malahitul; MgCO3 magnezitul; BaCO3 witeritul.
Dintre sulfuri, mai importanţi sunt: PbS galena; ZnS blenda;
FeS2 pirita; CuS·FeS calcopirita; FeAsS mispichelul; HgS cinabrul;
Ag2S argentitul; Sb2S3 stibina.
Prelucrarea minereurilor ce conţin oxizi. Reducerea oxizilor. Oxizii
se reduc cu atît mai uşor cu cît căldurile lor de formare sunt mai mici. Drept
agenţi reducători se folosesc carbonul, hidrogenul şi unele metale.
Carbonul (sub formă de cocs, mai rar mangal) este unul din cei mai
buni reducatori folosiţi în metalurgie. În forma generalăa, ecuaţia pentru
reducerea unui oxid de metal divalent cu carbon este:
2MO + C = 2M + CO2
Carbonul fiind solid, contactul lui cu particulele de minereu nu este
prea strîns. În schimb, produsul oxidării sale, oxidul de carbon(IV), un gaz,
este agentul reducator în majoritatea cazurilor.
Hidrogenul este un reducător foarte activ, folosit mai ales în laborator,
de exemplu pentru reducerea oxidului de fier:
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O
Metoda este întrebuinţată uneori şi în tehnica pentru obţinerea unor
anumite metale, de exemplu wolframul. Prin această metodă metalul se
obţine în forma fin divizată ca pulbere, cînd este foarte reactiv.
Metalele se folosesc ca agenţi de reducere în cazul cînd reducerea cu
carbune a oxizilor conduce la formare de carburi. Cel mai mult este folosit
aluminiul sub formă de pulbere, ca agent reducător al oxizilor de metale care
se topesc la temperaturi foarte ridicate, cum sunt Fe, V, Cr, Mn, W. Reacţia
dintre oxidul de metal şi aluminiul este puternic exotermă:
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + Q
astfel încît temperatura se ridică la circa 2400°C. Metalul se topeşte şi se
separă de stratul de oxid de aluminiu rezultat din reacţie.
În locul aluminului se foloseşte uneori calciul sau magneziul. De
exemplu:
MoO3 + 3Ca = Mo + 3CaO
Prelucrarea carbonaţilor. Carbonaţii se calcinează, iar oxizii formaţi
se reduc la metal cu ajutorul coxului, hidrogenului sau a altor metale.
FeCO3 = FeO + CO2
FeO + H2 = Fe + H2O
4
Prelucrarea sulfurilor. Obţinerea metalelor din sulfuri se face prin
diferite metode.
Prăjirea sulfurilor, deşi este o operaţie premergătoare reducerii
oxizilor, ca în cazul sulfurii de cupru:
2CuS + 3O2 = 2CuO + 2SO2
poate conduce uneori direct la metal, de exemplu în cazul sulfurii de mercur:
HgS + O2 = Hg + SO2
În cazurile cînd prăjirea sulfurii este însoţită de formarea oxidului
metalului, acesta se reduce în continuare conform metodelor descrise mai sus.
Reducerea sulfurilor. Fierul este folosit la reducerea unor sulfuri, ca
de exemplu sulfura de cupru, de arsen sau de mercur:
CuS + Fe = FeS + Cu
Pe această reacţie se bazează procedeul cementării pentru obţinerea
cuprului din soluţii diluate în care se găseşte acest metal.
Disocierea termică a unor combinaţii. Disocierea termică a unor
combinaţii poate deveni o metodă de obţinere a unor elemente dacă la răcire
aceste elemente nu se recombină. De multe ori, această metodă conduce la
obţinere de elemente cu puritate înaltă.
1) Disocierea termică a oxizilor. Pentru ca disocierea termică a
oxizilor să devină o metodă de obţinere a metalelor, trebuie ca temperatura
de disociere să fie cît mai scăzută, respectiv căldura de formare a oxizilor să
fie cît mai mică. Un exemplu îl reprezintă disocierea termica a oxidului de
mercur (II):
2HgO = 2Hg + O2
2) Disocierea termică a halogenurilor. Halogenurile metalelor nobile
cînd sunt încălzite disociază uşor în componente. Un exemplu îl reprezintă
tetraclorura de platină:
PtCl4 = Pt + 2Cl2
Clorul fiind un gaz, se îndepartează şi ramîne platina în stare pură.
3) Procedeul van Arkel şi de Boer permite obţinerea unor metale în
stare foarte pură şi compactă. El se bazează pe faptul că iodurile volatile ale
cîtorva metale disociază termic în vid la temperaturi inferioare punctului de
topire a metalului. Astfel, dacă în vaporii de iodura respectivă se introduce o
sîrmă de wolfram încălzită la temperatura de disociere a iodurii şi punctul de
topire a metalului, metalul se depune pe sîrma încălzită formînd
monocristale, pe cînd iodul difuzează în spaţiul înconjurător. Filamentul
extrem de subţire de wolfram din interiorul baghetei de metal formate nu
reprezintă practic o impuritate.
Metoda se aplică la obţinerea metalelor Ti, Zr, Hf, Th.
5
Electroliza soluţiilor apoase şi a topiturilor. Unele metale se obţin
uşor din combinaţiile lor prin metode electrolitice de reducere. Electroliza se
efectuează în soluţii sau în topituri.
1) Electroliza soluţiilor apoase. Metalele care nu descompun apa se
pot separa din soluţii apoase pe cale electrolitică. Aceste metale sunt aşezate
după hidrogen în seria potenţialelor standard. Dintre metalele aşezate
înaintea hidrogenului, numai cele cu supratensiuni mari (Pb, Ni, Cd, Zn) se
pot obţine prin electroliza în soluţie. Separarea pe cale de electroliză a
metalelor din soluţii apoase este folosită în tehnică mai ales pentru
purificarea metalelor.
2) Electroliza electroliţilor topiţi. Metalele puternic electropozitive se
obţin de obicei în tehnica producţiei prin electroliza electroliţilor topiţi. În
modul acesta se fabrică aluminiul, sodiul, potasiul, calciul şi, în parte,
magneziul.
Topiturile oxizilor sau halogenurilor metalelor respective conţin
adaosuri care le scad punctul de topire şi le măresc conductibilitatea fără să
fie descompuse electrolitic în condiţiile respective ale electrolizei. Asemenea
substanţe se numesc fondanţi. Astfel, aluminiul se obţine industrial prin
electroliza oxidului de aluminiu, dizolvat în criolit, un fluoroaluminat de
sodiu, Na3[AlF6], topit. Temperatura topiturii este de circa 1000°C.
Sodiul se obţine industrial prin electroliza unui amestec de NaCl şi
CaCl2 (CaCl2 se topeşte la 600°C pe cînd NaCl se topeşte la 801°C).
Procedee hidrometalurgice. Obţinerea aurului, argintului prin metoda
de cianurare: metalul trece în soluţie sub formă de sulfat, de unde este apoi
separat.
2Ag + 4NaCN + H2O + ½O2 = 2Na[Ag(CN)2] + 2NaOH
Ag2S + 5NaCN + H2O + ½O2 = 2Na[Ag(CN)2] + 2NaOH + NaSCN
AgCl + 2NaCN = Na[Ag(CN)2] + NaCl
Proprietăţi fizice Metalele se deosebesc fundamental de celelalte substanţe, atît sub
formă elementară cît şi sub formă de combinaţii, principalele lor proprietăţi
fiind:
conductibilitate electrică mult mai mare decât a celorlalte substanţe şi
deosebită prin natura ei: trecerea curentului electric prin metale se face
fără transfer aparent de masă;
conductibilitatea termică a metalelor este mult mai mare decât a
celorlalte substanţe;
metalele sunt practic total opace, nepermiţând trecerea luminii nici
prin foiţe foarte subţiri;
6
metalele au luciu, datorită reflectării aproape totale a luminii. Din
această cauză majoritatea metalelor au culoarea alb-cenuşie, excepţie
făcînd Cu şi Au, care absorb în domeniul lungimilor de undă
corespunzătoare culorilor albastru, respectiv verde, de unde coloraţia
lor roşcată, respectiv galbenă;
metalele au rezistenţă mare la solicitările mecanice, dar sunt totuşi
deformabile. Ele sunt maleabile (pot fi trase în foi) şi ductile (pot fi
trase în fire subţiri).
Aceste proprietăţi variază mult de la un metal la altul. Proprietăţile
metalice tipice nu se manifestă decât în stare solidă sau lichidă, ele dispărând
complet în stare de vapori. Aceasta înseamnă că între atomii metalelor în
stare solidă sau lichidă există legături chimice puternice, care dispar în fază
gazoasă.
Conform poziţiei în tabelul periodic, metalele au un număr mic de
electroni pe stratul de valenţă. Din acest motiv, atomii metalelor nu îşi pot
completa octetul (structura gazului nobil care încheie perioada), deci nu pot
forma legături ionice (nu există anioni -5, -6, -7). Ţinând cont de faptul că în
structura unui cristal metalic fiecare atom are 8 sau 12 atomi vecini mai
apropiaţi, nu este posibilă formarea unor legături covalente normale (numărul
lor ar fi prea mare). Deoarece forţele de legătură sunt mult prea mari pentru a
fi atribuite forţelor slabe de legătură, rămîne deci existenţa unei noi forme de
legătură, legătură metalică.
Exista 2 teorii privind legătura metalică:
teoria gazului electronic (Drude şi Lorenz, 1900), conform căreia, toţi
electronii sau cea mai mare parte din electroni se comportă ca un gaz de
electroni comuni, în care este scufundată reţeaua formată din ioni pozitivi:
Această teorie explică conductibilitatea metalelor, dar nu explică de ce
aceasta scade cînd creşte temperatura şi nu arată de ce unele metale sunt
foarte bune conducătoare de electricitate, iar altele mai puţin bune, sunt chiar
semiconductoare (Ge, Sn).
teoria benzilor de energie, elaborată de mecanica cuantică (Fermi,
Sommerfeld, Bloch, Brillouin), care prevede că există o diferenţă între
7
distribuţia electronilor într-un atom izolat al unui metal şi distribuţia
electronilor în cristalul de metal. Atomii izolaţi ai unui metal au nivele
energetice distincte, iar ocuparea lor cu electroni se face în ordine crescândă
a energiilor lor, respectînd regulile lui Hund şi principiul excluziunii al lui
Pauli.
În metalul compact, atomii sunt apropiaţi între ei, astfel încât nivelele
lor energetice exterioare se pot combina dând orbitali moleculari. Se ştie că
numărul orbitalilor moleculari este identic cu numărul orbitalilor atomici din
care au provenit. La un număr foarte mare de atomi apropiaţi (cristalul
metalic) rezultă un număr tot aşa de mare de orbitali moleculari delocalizaţi
care se contopesc în benzi de energie. Astfel, din N orbitali atomici rezultă N
orbitali moleculari, care vor alcătui o bandă de energie a orbitalilor
delocalizaţi. Din N orbitali, N/2 vor fi orbitali moleculari de legătură, de
energie mai joasă şi N/2 vor constitui banda orbitalilor moleculari de
antilegătură de energie mai înaltă. Deci, într-un cristal metalic numai
electronii interiori sunt distribuiţi pe nivele discrete (bine determinate), iar
nivelele exterioare se contopesc în zone largi de energie, separate de zone
interzise, numite benzi de energie. În formarea benzilor de energie sunt
implicaţi orbitalii de tip s şi p ai ultimului strat pentru metalele
reprezentative, orbitalii de tip d ai penultimului strat şi orbitalii s şi p (iar
uneori şi d) ai ultimului strat pentru metalele tranziţionale.
Banda energetică formată din orbitali moleculari de legătură constituie
banda de valenţă, ocupată cu electroni. Banda energetică formată din orbitali
moleculari de antilegătură constituie banda de conducţie, neocupată cu
electroni.
Fiecare nivel de energie din banda de valenţă este ocupat, în starea
fundamentală, la 0K, de doi electroni. La temperatură mai înaltă decât 0K,
8
o parte din electronii din banda de valenţă trec în banda de conducţie. Aceştia
asigură conducerea curentului electric prin metal. Conductor
Diferenţa dintre banda de valenţă şi banda de conducţie (EG) determină
proprietăţile conductoare, semiconductoare sau izolatoare ale substanţei:
La elementele tranziţionale, două benzi de valenţă pot avea energii
aproape egale, ceea ce duce la întrepătrunderea lor (de exemplu benzile 3d şi
4s, ale cuprului metalic). Cu cît benzile de valenţă ale unui metal sunt mai
largi şi cu cât ele se întrepătrund mai mult (întrepătrunderea fiind favorizată
cînd razele atomice sunt mici) cu atît legătura dintre atomi în reţeaua metalică
este mai puternică, metalul este mai dur şi mai rezistent la acţiuni mecanice.
Interpretarea proprietăţilor metalelor. Luciul, opacitatea şi culoarea metalelor se datorează electronilor
liberi din metal. Puterea mare de a reflecta lumina se datorează electronilor
"liberi" din metal şi nu celor localizaţi la atomi. În stare compactă, sub formă
de blocuri, bare, plăci, fire, granule, metalele din grupele principale ale
sistemului periodic au culoare alb-argintie, numai cesiul este alb-auriu,
beriliul cenuşiu-deschis, germaniul alb-cenuşiu şi modificaţia α-Sn este
cenuşie. Metalele tranziţionale sunt în majoritate albe-cenuşii. Cuprul este
roşu-arămiu şi aurul galben-auriu. În stare fin divizată, metalele au culoare
cenuşie-închis sau neagră. Cuprul şi aurul îşi păstrează culoarea şi sub formă
de pulberi. Culoarea alb-argintie sau cenuşie a metalelor este determinată de
faptul că ele absorb toate radiaţiile din domeniul vizibil. Cuprul însă absoarbe
mai puternic lumina verde, iar aurul lumina albastră, fapt ce determină
culorile lor specifice. În tehnică, metalele sunt clasificate în: metale negre
sau feroase, prin care se înţelege fierul (împreună cu fontele şi oţelurile), şi
metalele colorate, adică neferoase.
9
Metalele nu permit trecerea radiaţiilor luminoase, sunt opace, deoarece
electronii de valenţă din benzile de energie absorb toată energia luminoasă.
Metalele în stare pură, neoxidate şi cu suprafaţa netedă reflectă lumina,
prezentând luciu metalic. Luciul metalic apare la metalele în stare compactă.
Magneziul şi aluminiul sunt singurele metale care au luciu metalic şi în formă
de pulbere.
Conductibilitatea electrică, respectiv curgerea de electroni sub
acţiunea unei diferenţe de potenţial, are loc cel mai uşor atunci când banda de
valenţă este numai pe jumătate ocupată cu electroni; aceasta se întîmplă la
metalele alcaline şi la Cu, Ag şi Au. Metalele din grupa Ib sunt mai bune
conducătoare decît cele din grupa Ia, din cauză că atomii lor au volume mai
mici; reţeaua de ioni metalici este mai compactă şi norul electronic mai dens.
Metalele în care stratul de valenţă s este complet ocupat cu electroni
(metalele din grupa IIa şi IIb) conduc curentul mai puţin bine.
Conductibilitatea electrică a metalelor este micşorată de orice
dezordine care apare în reţea, în primul rînd de orice impurităţi (atomi sau
ioni de metale străine) incluse în reţeaua metalică (de exemplu impurităţile
în cupru îi reduc mult conductibilitatea electrică, iar nichelina pentru
rezistenţe electrice este un aliaj cupru - nichel). În acelaşi mod vibraţia
atomilor în jurul poziţiilor de echilibru din reţea constituie o imperfecţiune a
reţelei reale, faţă de cea ideală. Deoarece prin creşterea temperaturii,
oscilaţiile atomilor se intensifică, conductibilitatea electrică a metalului
scade. La răcire, fenomenul este invers: oscilaţiile atomilor în jurul poziţiilor
lor din reţeaua cristalină slăbesc, deci conductibilitatea electrică a metalului
creşte. Aproape de zero absolut (la -273°C), metalele îşi pierd complet
rezistenţa electrică şi devin conductori „ideali”. Acest fenomen se numeste
supraconductibilitate.
Rezistenţa electrică specifică sau rezistivitatea reprezintă rezistenţa pe
care o opune curentului electric o porţiune din metal cu o secţiune de 1 cm2
şi o lungime de 1 cm şi se exprimă în Ω·cm. La 20C, rezistenţa electrică
specifică a argintului este 1,62·106
Ω·cm, a cuprului 1,72·106
Ω·cm, a
aluminiului 2,82·106
Ω·cm, a plumbului 20,63·106
Ω·cm, a mercurului
95,9·106 Ω·cm etc.
Conţinutul de substanţe străine într-un metal măreşte rezistenţa lor
electrică. De aceea, pentru rezistenţe electrice se folosesc aliaje şi nu metale
pure. Astfel, pe cînd rezistenţa electrică specifică a nichelului este 7·106
Ω·cm şi a cromului este 15,8·106
Ω·cm, un aliaj cu 20% nichel şi 80% crom
are rezistenţa electrică specifică 110·106 Ω·cm.
Conductibilitatea termică mare a metalelor se explică de asemenea
prin uşurinţa mişcării electronilor în stratul de valenţă. Într-un solid
neconducător, încălzit la un capăt, căldura se transmite la capătul rece pînă la
10
egalizare prin mişcările vibratorii ale metalelor. La metale, electronii transmit
rapid energia de la atomii "calzi" la cei "reci".
Conductibilitatea termică a metalelor se măsoară prin cantitatea de
căldură care se propagă timp de o secundă printr-un centimetru cub din
metalul respectiv şi se exprimă în J·cm-1
·s-1
·grad-1
. Dintre metale, cea mai
mare conductivitate termică posedă argintul (4,1 J·cm-1
·s-1
·grad-1
), cuprul
(3,9 J·cm-1
·s-1
·grad-1
), aurul (3 J·cm-1
·s-1
·grad-1
) şi aluminiul (2,1 J·cm-1
·s-
1·grad
-1); cea mai slabă conductivitate termică o au plumbul (0,13 J·cm
-1·s
-
1·grad
-1) şi mercurul (0,08 J·cm
-1·s
-1·grad
-1).
Conductibilitatea termică a metalelor are mare importanţă în tehnică.
Astfel, instalaţiile la care se cere o încălzire şi răcire rapidă, cum sunt
cazanele de abur, schimbătoarele de căldură, caloriferele, radiatoarele
automobilelor, se fabrică din metale cu bună conductibilitate termică.
Densitatea metalelor variază în limite largi; de exemplu, litiul are
densitatea 0,53 sau potasiul are densitatea 0,86, pe cînd platina are densitatea
21,45, iar osmiul, cel mai greu metal, are densitatea 22,5. Se obişnuieşte să
se considere metalele cu densitatea mai mică decît 5, metale uşoare, iar cele
cu densitatea peste 5, metale grele. Astfel, potasiul, sodiul, calciul,
magneziul, aluminiul sunt considerate metale uşoare, pe cînd zincul, staniul,
fierul, cuprul sunt metale grele.
Punctul de topire variază foarte mult de la metal la metal. Mercurul,
singurul metal lichid, are punctul de topire –39°C; potasiul şi sodiul se
topesc la temperaturi sub 100°C (potasiul la 63,5°C, sodiul la 97,8°C). Cel
mai greu fuzibil metal este wolframul, care se topeşte la 3410°C. În general,
metalele cu volum atomic mic se topesc la temperaturi ridicate, pe cînd
metalele cu volum atomic mare se topesc la temperaturi scăzute, deoarece
reţeaua lor cristalină se distruge mai uşor. Variaţia punctelor de topire ale
elementelor cu caracter metalic poate fi atribuită şi numărului diferit de
electroni prin care elementul participă la formarea legăturilor metalice. De
regulă, metalele din subgrupele principale sunt mult mai uşor fuzibile decît
cele din subgrupele secundare.
Diferenţa între punctele de topire a metalelor este folosită pentru
separarea metalelor între ele, la fabricarea aliajelor şi la prelucrarea
metalelor.
Temperaturile de fierbere ale metalelor sunt în majoritatea cazurilor
foarte ridicate, variind între 357,4C la Hg şi 5930,16C la W, prezentînd, în
general, aceleaşi tendinţe ca şi punctele de topire. Pentru toate metalele
căldura de vaporizare este mult mai mare decît căldura de topire, ceea ce
înseamnă că între starea lichidă şi cea de vapori a metalelor există o
diferenţă mult mai mare din punct de vedere energetic decît între stările
lichidă şi solidă. Căldura de vaporizare are valori mai mari pentru metalele
11
tranziţionale (metalele d) şi mai mici pentru metalele de tip s şi p, maximele
fiind atinse la elementele din grupele Vb şi VIb. Căldurile de vaporizare
mari, caracteristice metalelor, indică faptul că în stare lichidă sunt prezente
încă legăturile metalice, iar energia relativ mică, necesară trecerii unui metal
din starea solidă în stare lichidă, este justificată de faptul că în această
transformare sunt distruse un număr relativ mic de legături. Pe de altă parte,
energia mult mai mare necesară trecerii din stare lichidă în starea de vapori
este justificată de faptul că această transformare impune distrugerea marii
majorităţii a legăturilor pentru a permite trecerea metalului în stare atomică
sau sub formă de agregate mici în stare de vapori.
Proprietăţile magnetice ale metalelor sunt diferite. Unele metale se
magnetizează puternic, păstrînd magnetismul şi după îndepărtarea cîmpului
magnetic inductor. Aceste metale se numesc feromagnetice (Fe, Co şi Ni).
Alte metale au proprietăţi magnetice slabe, fără a păstra aceste proprietăţi
după îndepărtarea cîmpului magnetic inductor. Ele se numesc
paramagnetice. Din această grupă fac parte majoritatea metalelor
tranziţionale. Metalele care nu se magnetizează, deci sunt respinse de un
cîmp magnetic exterior, se numesc diamagnetice (Cu, Ag, Au, Sn, Pb).
Proprietăţile mecanice indică modul de comportare a metalelor sub
acţiunea diferitor forţe exterioare. Dintre proprietăţile mecanice deosebim
rezistenţa mecanică, elasticitatea, plasticitatea, maleabilitatea, ductilitatea,
tenacitatea, fluajul, duritatea etc.
Rezistenţa mecanică constă în împotrivirea metalelor la acţiunea
forţelor exterioare care tind să le rupă. Dintre solicitările mecanice la care
pot fi supuse metalele, deosebim tracţiunea (întinderea), compresiunea,
încovoierea şi răsucirea (torsiunea).
Elasticitatea este proprietatea metalelor de a reveni la forma şi
dimensiunile iniţiale după încetarea acţiunii forţelor exterioare care au
produs deformarea. Majoritatea metalelor sunt plastice, putînd fi uşor
prelucrate la cald sau la rece prin operaţii de forjare, laminare, ambutisare
etc.
Plasticitatea este proprietatea metalelor de a se deforma sub acţiunea
forţelor exterioare, fără a se fisura sau sfărîma, fără a-şi schimba volumul şi
fără a reveni la forma iniţială. Aurul este cel mai plastic metal, după care
urmează: Ag, Pt, Mg, Al, Pb, Sn, Nb, Ta, Hf şi Cu. Unele metale au
plasticitate redusă, sunt casante şi nu pot fi prelucrate sub presiune: Ti, Cr,
-Mn, Zn tehnic, Ge, Zr, Sb, Ru, Os, Ir, U (impur).
Tenacitatea este proprietatea metalelor de a rezista mai mult timp la
diferite eforturi, deformîndu-se mult înainte de rupere. Cea mai mare
tenacitate, sau rezistenţă la rupere, revine în ordine descrescătoare metalelor:
W, Mo, Ta, Zr, Nb, Ti, Th, Co, Ni, Pd, Fe, Cu, Ag, Au, Al, iar cea mai mică
12
tenacitate o au Bi, Tl, Pb, In, Ga şi Sn. Aceste metale se rup fără să se
deformeze şi se numesc metale casante.
Maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras în foi prin
comprimare la o temperatură inferioară punctului de topire. Unele metale
cum sunt: Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni şi Ta pot fi prelucrate în foi subţiri de
ordinul micronilor (1μm = 10-6
m) şi anume:
Au - 0,08 m Al - 0,6 m Cu – 2,6 m Ta- 40 m
Ag - 0,1 m Pt – 2,5 m Ni - 208 m
Se laminează uşor la rece: Mg, Sr, La, Tl, Ti, Zr, Hf, Sn, Pb, Nb, Ta,
Mo, Fe, Ca, Pd, Ir şi Tb. Zincul este maleabil şi se laminează între 0 -
150C, bismutul între 30 - 250C, iar radiul între 800 - 900C. Galiul este
foarte puţin maleabil, iar beriliul, deşi nu este casant, nu se poate lamina.
Maleabilitatea depinde de structura cristalină a metalelor; ea se
manifestă cel mai intens la metalele care cristalizează în reţele cubice cu feţe
centrate. Ea depinde de asemenea de temperatură, şi anume creşte pînă la o
anumită temperatură, după care scade şi metalele devin casante. Creşterea
maleabilitaţii cu temperatura se datorează slăbirii coeziunii dintre cristale,
iar scăderea ei este cauzată de formarea unor pelicule de oxid între cristale.
Există şi alti factori care influenţează maleabilitatea cristalelor.
Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras în fire prin
procesul de trefilare. Cele mai ductile metale sunt: Au, Ag, Pt, Ni şi Ta. De
exemplu din un gram de aur sau argint se pot trage fire de 2000 m, respectiv
1800 m. Se trefilează uşor şi Mo, Zr, Nb, Co, Fe, Cu, Al, Sr, La, Th şi U. Un
număr mic de metale cum sunt Be, In, Pb, Tl şi Ti nu se pot trefila.
Duritatea reprezintă rezistenţa opusă de metale la zgîrîerea sau
pătrunderea unui corp şi se exprimă convenţional cu valori de la 1-10 în
scara mineralogică Mohs1 sau în unităţi Brinell
2 (kg/mm
2). Metalele cu
duritatea cea mai mare sunt: Cr (8,5), W (7,5), Re (7,0), Os (7,0) şi V (7,0),
urmate de Ir (6,5), Ta (6,5), Ru (6,5) ş.a., iar cu duritatea cea mai mică sunt
Cs (0,2), urmat de Rb (0,3), Na (0,4), K (0,5), Li (0,6) ş.a., care pot fi tăiate
chiar cu cuţitul.
1 Scara Mohs a durităţii a fost gândită şi inventată în anul 1812 de mineralogul german Friedrich Mohs, care vroia să aranjeze mineralele
astfel încât acestea pot fi identificate mai uşor. Duritatea unui mineral este măsura rezistenţei sale la zgîriere. Se stabileşte zgîriind un
mineral cu o serie de alte minerale a căror duritate este deja cunoscută. Scara Mohs oferă o măsură de comparație de la 1 (moale) la 10
(dur). Pînă la 9 este liniară, dar diamantul (10) este de circa 10 ori mai dur decît corindonul.
Este o scară relativă, care nu permite aprecierea precisă a diferenţei de duritate între două materiale. De exemplu, dacă un material
oarecare poate să zgârie de exemplu fluorina, dar nu şi apatitul, duritatea sa pe scara Mohs este între 4 şi 5 (convenţional 4,5). Conform
scării Mohs duritatea unei unghii umane este de 2,5, aurul şi argintul în stare pură au duritatea între 2,5 şi 3, monedele de cupru au
duritatea 3, lamele de cuţit - 5,5, sticla 6-7 etc. 2 Metoda Brinell de determinare a durităţii propusă de inginerul suedez Johan August Brinell în 1900, a constituit prima metodă de
determinare a durităţii metalelor, standardizată şi folosită larg în inginerie şi în metalurgie. Duritatea Brinell se determină prin apăsarea cu
o anumită forţă a unei bile de oţel dur de diametru specificat (de obicei 10 mm), pe suprafaţa materialului şi apoi măsurarea diametrului
urmei (amprentei) rămase pe material.
13
Aliaje
Deşi numărul metalelor este relativ mare, sunt totuşi insuficiente spre a
se satisface prin proprietăţile lor nevoile tehnicii moderne. Practic s-a
constatat că prin adăugarea la metalele pure a anumitor substanţe (oxizi,
carburi) sau a altor metale, nemetale sau semimetale, se obţin amestecuri cu
proprietăţi fizico-chimice superioare. Aceste amestecuri cu proprietăti
metalice, constituite din două sau mai multe elemente, dintre care cel puţin
elementul predominant este un metal poartă denumirea de aliaje. Aliajele
pot fi formate din două metale (aliaje binare), din trei metale (aliaje ternare),
din patru metale (aliaje cuaternare) sau mai multe metale (aliaje polinare).
Majoritatea aliajelor în stare topită se amestecă în orice proporţie, dar unele
metale sau semimetale nu se amestecă în stare topită cu alte metale. De
exemplu: Al cu Pb, Ag cu Fe, Te cu Pb. Unele metale se dizolvă la topire
numai într-o anumită proporţie. De exemplu, Zn şi Pb topite împreună dau
un amestec omogen, dar lăsate în repaus formează două straturi: stratul
inferior, mai dens, este format din plumb ce conţine puţin zinc, iar stratul
superior este format din zinc care conţine o anumită cantitate de plumb.
Proprietatea metalelor de a se dizolva în alte metale este o consecinţă a
particularităţilor structurii lor cristaline. Existenţa unui deficit de electroni în
banda de valenţă a unui cristal metalic determină proprietatea acestuia de a
accepta un anumit număr de electroni suplimentari fără modificarea
structurii şi a proprietăţilor metalice ale cristalului. Ca urmare, solubilitatea
metalelor într-un metal dat depinde de concentraţia electronilor exteriori,
înţelegând prin aceasta raportul dintre numărul total al electronilor exteriori
şi numărul total de atomi din cristal. Se poate lua ca exemplu solubilitatea în
argint (pentru care configuraţia electronilor exteriori sl este egală cu
unitatea) a unor metale cu configuraţii electronice diferite:
Elementul Ca In Sn Sb
Electroni de valenţă s2
s2p
1 s
2p
2 s
2p
3
Solubilitatea maximă, %
atomice
40 20 13,3 10
Concentraţia electronilor în banda de valenţă a unui cristal de argint
poate să crească pe seama electronilor care provin de la alte elemente la
maximum 1-4, ceea ce corespunde la un conţinut maxim al unui element dat
într-o soluţie solidă cu argintul. Se ajunge la concluzia că solubilitatea
diferitelor metale în argint este de aşteptat să scadă cu creşterea numărului
electronilor exteriori ai acestora, aşa cum rezultă şi din tabelul de mai sus.
La dizolvarea Au în Ag concentraţia electronilor exteriori nu se modifică şi
ca urmare cele două elemente pot forma o serie continuă de soluţii solide.
14
Aliajele se caracterizează în general prin proprietăţi calitativ superioare
faţă de cele corespunzătoare elementelor componente. Temperatura de topire
a aliajelor este de foarte multe ori inferioară componentei mai uşor fuzibile.
Duritatea şi rezistenţa aliajelor sunt de obicei mai mari decât ale
componentelor. Datorită acestor calităţi cât şi a altora, aliajele reprezintă
materiale mult mai solicitate în tehnica modernă decât metalele în stare pură.
Proprietăţi chimice Proprietăţile chimice fundamentale ale elementelor în general şi ale
celor cu caracter metalic în special sunt: starea de oxidare şi caracterul lor
electrochimic.
Starea de oxidare este o proprietate care variază în anumite limite în
funcţie de natura elementului considerat.
Pentru elementele metalice de tip s şi p, starea de oxidare este în
general dată de numărul grupei din care face parte elementul, şi cu puţine
excepţii, aceasta reprezintă unica valenţă a elementului respectiv.
Pentru metalele tranziţionale de tip d, starea de oxidare prezintă o
gamă mult mai mare de valori - cea maximă fiind dată de numărul grupei (cu
unele excepţii: subgrupa Ib şi VIIIb) - ca o consecinţă a particularităţilor
structurii lor electronice.
În ceea ce priveşte stabilitatea relativă a diverselor stări de oxidare
manifestate de un element dat se constată următoarele tendinţe:
• pentru metalele de tip s şi p stabilitatea stării de oxidare superioare
scade în grupă de sus în jos ca o consecinţă a efectului perechii de electroni
inerţi (ex. TlI mai stabil ca Tl
III);
• pentru metalele tranziţionale se constată o variaţie inversă,
stabilitatea stării de oxidare superioare creşte în grupă o dată cu creşterea
numărului de ordine. Această variaţie se atribuie faptului că în trecerea de la
prima la a doua, respectiv a treia serie de metale tranziţionale, separarea
energetică între orbitalii ns şi (n - 1)d descreşte şi electronii periferici sunt
mai slab atraşi de nucleu pe măsură ce creşte volumul atomului.
Din considerente energetice, se poate afirma că elementele nu pot
exista în soluţie sub forma unor ioni monoatomici în stări de oxidare mai
mari de trei. În astfel de stări de oxidare elementele pot exista în soluţie
apoasă numai sub formă de ioni complecşi. Pentru compuşii în stare solidă
nu există astfel de restricţii, deoarece sarcina mare a ionului metalic este
neutralizată de anionii din imediata vecinătate.
Stările de oxidare superioare ale elementelor se realizează în general în
combinaţii de tipul fluorurilor şi oxizilor, deci în combinaţii de elemente cu
pronunţat caracter electronegativ.
15
Caracterul electrochimic al metalelor este o măsură directă a tendinţei
acestora de a forma ioni în soluţie. Numeric, această tendinţă este apreciată
prin valoarea potenţialelor normale (standard) ale metalelor. Potenţialul de
electrod standard, potenţial redox sau potenţial electrochimic este forţa
electromotoare (FEM) care se stabileşte între un metal aflat la 298 K, într-o
soluţie a ionilor săi de concentraţie 1M în raport cu electrodul normal de
hidrogen considerat convenţional, ca având potenţialul standard egal cu zero
volţi.
După A.Volta şi N.M. Beketov, metalele pot fi aranjate în raport cu
valorile potenţialelor standard într-o serie numită seria tensiunilor metalelor
în scara de hidrogen (ε° = 0 volţi), sau seria potenţialelor electrochimice:
Li Cs, K Ba, Ca Na Mg Al Zn Pb Cr Fe Co Ni Sn Pb H Sb Cu Hg Ag Au Pt
În urma studierii reacţiilor (redox) de substituţie a unor elemente mai
puţin active din combinaţiile lor, cu ajutorul altor elemente, mai active din
punct de vedere chimic s-a ajuns la următoarea clasificare a metalelor:
16
Astfel din reacţiile:
Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu
Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 sau Zn0 + 2H
+ Zn
2+ + H2
0
rezultă că fierul şi zincul sunt mai active şi deplasează din combinaţiile lor,
cuprul şi hidrogenul, elemente mai puţin active.
Metalele sunt aşezate în serie în ordinea descrescătoare a capacităţii
de a ceda electroni, caracterului reducător, oxidabilităţii, reactivităţii
chimice, sau în ordinea crescătoare a stabilităţii chimice. Cu cît metalul este
aşezat mai mult la începutul seriei, cu atît cedează mai uşor electroni de
valenţă trecînd la ioni, adică este mai activ; acceptarea electronilor de către
ioni, adică refacerea atomilor din ioni, este cu atît mai accentuată cu cît
metalul se găseşte aşezat mai la sfîrşitul seriei.
Potrivit poziţiei lor faţă de hidrogen, metalele prezintă proprietăţi
caracteristice, ilustrate în tabelul de mai sus. Aşa spre exemplu litiul,
elementul cel mai puţin electropozitiv din grupa metalelor alcaline are un
potenţial redox neobişnuit de mare, din cauza energiei de hidratare foarte
mari a ionului Li+, caracterizat printr-un volum ionic mic. Potenţialul de
electrod al unui metal depinde de concentraţia lui în soluţie, conform
ecuaţiei Nernst. Un metal va acţiona deci ca un reducător cu atât mai
puternic, cu cât concentraţia ionilor lui în soluţie este mai mică şi invers.
Proprietăţile electrochimice ale metalelor şi fenomenele de oxido-
reducere stau la baza procesului de rafinare electrochimică a metalelor,
permiţând explicarea fenomenelor de coroziune şi a funcţionării surselor
chimice de curent.
17
Combinarea metalelor cu oxigenul se face cu atît mai energic cu cît
metalul este aşezat mai la începutul seriei. Astfel:
1. potasiul, calciul, sodiul, se oxidează direct în aer, la temperatură
obişnuită;
2. metalele de la magneziu pînă la plumb se oxidează în aer la încălzire;
3. cuprul şi mercurul se oxidează în aer numai la încălzire foarte
puternică, iar argintul, platina şi aurul nu se combină direct cu oxigenul la
nici o temperatură. Din această cauză ele se numesc metale preţioase (sau
nobile), spre deosebire de celelalte, numite metale obişnuite (sau nenobile).
Cu cît oxidarea se face mai energic, cu atît oxidul rezultat este mai
stabil şi deci mai greu redus de hidrogen. De exemplu, pe cînd oxidul de
calciu nu poate fi redus de hidrogen, oxidul de cupru este redus uşor, chiar
prin trecerea unui curent de hidrogen peste masa încălzită.
Oxizii metalelor sunt anhidride bazice, spre deosebire de oxizii
nemetalelor, care sunt anhidride acide. Această diferenţiere nu este însă
strictă, deoarece şi oxizii unor metale, mai ales ai celor cu valenţe
superioare, formează acizi; de exemplu, Mn2O7 formează acidul
permanganic, HMnO4. De asemenea există oxizi de metale cu caracter
amfoter, de exemplu Al2O3. Totdeauna însa la metale, cînd au mai mulţi
oxizi, cel puţin un oxid este bazic.
În compuşii oxigenaţi ai metalelor (oxizi şi hidroxizi) se manifestă
vădit asemănarea în interiorul diferitor familii şi diferenţele între familiile
elementelor. Astfel, la metalele de tip s toţi oxizii şi hidroxizii (cu excepţia
compuşilor beriliului) au proprietăţi bazice, la metalele de tip p – proprietăţi
amfotere sau acide, la metalele d – proprietăţile acestor compuşi depind mult
de gradul de oxidare al metalului. De exemplu în seria compuşilor
manganului se observă clar intensificarea proprietăţilor acide ale oxizilor şi
hidroxizilor odată cu creşterea gradului de oxidare al metalului:
MnO, Mn2O3
Mn(OH)2, Mn(OH)3
bazice
MnO2
Mn(OH)4 sau
H2MnO3
amfotere
(MnO3), Mn2O7
(H2MnO4), HMnO4
acide
Compuşii MnO3 şi H2MnO4 nu există în realitate, însă sunt cunoscute sărurile acidului manganic –
manganaţii.
În subgrupele principale de sus în jos cresc proprietăţile bazice ale
oxizilor şi hidroxizilor (cresc razele ionice ale metalelor şi scad valorile
potenţialelor de ionizare). În subgrupele secundare (elementele d şi f) se
observă o dependenţă inversă.
18
În perioade de la stînga spre dreapta cresc proprietăţile acide şi scad
cele bazice ale oxizilor şi hidroxizilor. În calitate de exemplu poate fi
prezentat şirul de elemente de la începutul perioadei IV:
K2O, CaO
KOH, Ca(OH)2
bazice
Sc2O3, TiO2
Sc(OH)3,
Ti(OH)4
amfotere
V2O5, CrO3, Mn2O7
HVO3, H2CrO4 (H2Cr2O7),
HMnO4
acide
De aici se observă clar trecerea de la compuşii tipic bazici spre
compuşii amfoteri, apoi acizi. Caracterul legăturii chimice în oxizi de
asemenea variază treptat: în oxizii bazici legăturile sunt ionice sau puternic
polare, ceea ce se răsfrînge asupra stabilităţii, durităţii şi temperaturilor de
topire. Oxizii superiori la aşa metale ca cromul şi manganul, care au
proprietăţi acide, se caracterizează prin prezenţa în reţelele lor cristaline a
legăturilor covalente, din care cauză aceste substanţe sunt fragile. În mod
corespunzător şi în produsele de interacţiune a oxizilor cu apa – în hidroxizi
– metalul cu oxigenul este legat diferit. În hidroxizii bazici metalul cu
oxigenul este legat prin legătură ionică, însă hidrogenul cu oxigenul – prin
legătură covalentă. În hidroxizii acizi, invers, legătura metalului cu oxigenul
este covalentă, iar legătura dintre hidrogen şi oxigen este ionică sau puternic
polară. Caracterul legăturii metal – oxigen foarte mult depinde de gradul de
oxidare al metalului, ceea ce se observă în seria:
KOH, Ca(OH)2
Baze puternice
Sc(OH)3,
Ti(OH)4,
TiO(OH)2
Hidroxizi
amfoteri
HVO3, H2CrO4 (H2Cr2O7),
HMnO4
Acizi
Aceeaşi regularitate se manifestă şi în compuşii unuia şi aceluiaşi
metal cu grade de oxidare diferite (exemplificat mai sus pe oxizii
manganului).
După aşezarea metalelor în seria tensiunilor faţă de hidrogen rezultă
comportarea lor diferită. Metalele aşezate înaintea hidrogenului îl pot înlocui
în combinaţii, deoarece atomii lor cedează electroni mai uşor decît atomii de
hidrogen; cu cît metalul este aşezat mai departe de hidrogen, cu atît îl
înlocuieşte mai energic.
19
Hidrogenul din apă este substituit numai de metalele active şi doar în
cazul cînd se formează hidroxizi solubili în apă. În cazul formării
compuşilor puţin solubili, dar majoritatea hidroxizilor sunt insolubili în apă,
suprafaţa metalului se acoperă cu un strat protector de hidroxid care
protejează metalul de acţiunea ulterioară a apei şi reacţia nu mai decurge sau
decurge foarte lent.
Astfel, metalele alcaline şi alcalino-pămîntoase înlocuiesc energic
hidrogenul din apă chiar la temperatura obişnuită:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
Magneziul şi aluminiul descompun apa la încălzire sau după
înlăturarea peliculei protectoare de Al2O3:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2
Beriliul cu apa nu interacţionează.
Metalele situate în seria tensiunilor după aluminiu şi pînă la hidrogen
interacţionează cu vaporii de apă formînd oxid de metal şi hidrogen:
3Fe + 4H2O(vapori) = Fe3O4 + 4H2
2Cr + 3H2O(vapori) = Cr2O3 + 3H2
Metalele plasate în seria tensiunilor după hidrogen nu-l înlocuiesc din
apă, deoarece atomii lor cedează mai greu electronii decît atomii de
hidrogen. Astfel, cuprul şi argintul nu reacţionează cu apa în nici o condiţie.
În mod similar se comportă metalele şi faţă de acizi. Interacţiunea
metalelor cu acizii depinde de mai mulţi factori, dintre care mai importanţi
sunt următorii:
1. activitatea metalului;
2. natura acidului (restului acid);
3. condiţiile în care se desfăşoară reacţia (concentraţia acidului,
temperatura).
La interacţiunea metalelor cu soluţiile diluate de acizi (cu excepţia
acidului azotic diluat) metalul joacă rolul de reducător, iar în calitate de
oxidant serveşte ionul de hidrogen H+ al acidului. La aşa categorie de acizi
se referă acizii neoxigenaţi (HCl, HBr, HI etc.) sau acizii ce conţin anioni
stabili (H3PO4, H2SO4(dil.)). În aceşti acizi se dizolvă numai metalele ce
posedă proprietăţi reducătoare puternice, potenţialul redox al cărora este mai
mic decît potenţialul electrodului de hidrogen 2H+/H2, adică metalele plasate
în seria tensiunilor pînă la hidrogen. Reacţia decurge cu degajare de
hidrogen. De exemplu:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2
Fe + H2SO4(dil.) = FeSO4 + H2
20
În unele cazuri particulare în rezultatul interacţiunii metalelor cu acizii
diluaţi se formează produşi greu solubili, care formează pelicule protectoare
pe suprafaţa metalului şi reacţia repede se opreşte. Astfel plumbul se dizolvă
slab atît în acidul clorhidric, cît şi în acidul sulfuric diluat, fiindcă pe
suprafaţa lui se depun clorura şi sulfatul de plumb insolubili.
Pentru dizolvarea în soluţiile diluate ale acizilor susnumiţi a metalelor
plasate în seria tensiunilor după hidrogen este necesară prezenţa unui alt
oxidant, potenţialul redox al căruia să depăşească potenţialul redox al
metalului în mediu acid. De exemplu, cuprul se poate dizolva în soluţie de
acid clorhidric în prezenţa oxigenului:
2Cu + O2 + 4HCl = 2CuCl2 + 2H2O
În acest caz acidul joacă doar rolul de mediu şi nu participă la procesul
redox.
Proprietăţile oxidante ale acizilor condiţionate de anionul de rest acid
se manifestă mai divers aşa cum în majoritatea cazurilor nemetalul ce intră
în compoziţia restului acid se poate reduce pînă la diferite grade de oxidare.
În acidul sulfuric concentrat rolul de oxidant îl îndeplineşte ionul SO42-
şi reducerea lui poate decurge conform următoarelor reacţii:
SO42
+ 4H+ + 2e
- = SO2 + 2H2O
SO42
+ 8H+ + 6e
- = S + 4H2O
SO42
+ 10H+ + 8e
- = H2S + 4H2O
Gradul de reducere a sulfului din ionul sulfat depinde de natura
reducătorului, adică în cazul reacţiei acidului sulfuric concentrat cu metalele
– de natura metalului. Unele metale plasate în seria tensiunilor după
hidrogen (Cu, Ag) interacţionează cu acidul sulfuric concentrat cu formare
de oxid de sulf(IV) SO2:
Cu + 2H2SO4(conc.) = CuSO4 + SO2 + 2H2O
pe cînd la interacţiunea cu metalele mai active, plasate în serie pînă la
hidrogen, se poate forma un amestec alcătuit din mai mulţi produşi – SO2, S,
H2S.
3Cu + 4H2SO4(conc.) = 3CuSO4 + S + 4H2O
4Cu + 5H2SO4(conc.) = 4CuSO4 + H2S + 4H2O
Deoarece în amestec prevalează unul din aceşti produşi, natura lui se
determină în baza observaţiilor experimentale.
În mod specific decurge reacţia de interacţiune a metalelor cu acidul
azotic, pentru care, identic cazului acidului sulfuric concentrat, rolul de
oxidant îl joacă ionul NO3, potenţialul redox al căruia este mai mare decît
cel al electrodului de hidrogen indiferent de concentraţia acidului.
Reducerea ionului NO3 poate decurge în următoarele moduri:
NO3 + 1e
- + 2H
+ = NO2 + H2O
21
NO3 + 3e
- + 4H
+ = NO + 2H2O
2NO3 + 8e
- + 10H
+ = N2O + 5H2O
2NO3 + 10e
- + 12H
+ = N2 + 6H2O
NO3 + 8e
- + 10H
+ = NH4
+ + 3H2O
Gradul de reducere al ionului nitrat depinde de concentraţia acidului,
precum şi de potenţialul redox al metalului. Cu cît este mai mare
concentraţia acidului, cu atît mai slab se reduce ionul NO3.
În rezultatul reacţiei acidului azotic concentrat cu metalele de regulă se
degajă oxidul de azot(IV) NO2 indiferent de activitatea metalului. De
exemplu:
Zn + 4HNO3(conc.) = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Cu + 4HNO3(conc.) = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Metalele pentru care este caracteristic grad de oxidare înalt, în
rezultatul interacţiunii cu acidul azotic concentrat formează acizi oxigenaţi,
de exemplu:
Sn + 4HNO3(conc.) H2SnO3 + 4NO2 + H2O
Re + 7HNO3(conc.) HReO4 + 7NO2 + 3H2O
În cazul acidului azotic diluat produsul de interacţiune cu metalele
depinde de activitatea metalului: cu cît acesta este mai activ, cu atît mai
puternic se reduce azotul din ionul nitrat. În rezultatul interacţiunii acidului
azotic diluat cu metalele se formează apă, nitrat de metal şi, în dependenţă
de activitatea metalului, NO, N2O, N2, NH4+. De exemplu:
3Cu + 8HNO3(dil.) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
4Zn + 8HNO3(dil.) = 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O
4Zn + 10HNO3(dil.) = 4Zn(NO3)2 + N2O + 5H2O
5Zn + 12HNO3(dil.) = 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O
4Zn + 10HNO3(dil.) = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Identic interacţiunii metalelor cu acidul sulfuric concentrat, produsul
care se formează poate fi stabilit doar pe cale experimentală.
REMARCĂ: aluminiul, cromul şi fierul se pasivează în acid azotic
concentrat şi sulfuric concentrat.
În rezultatul acţiunii asupra metalelor a unui amestec de acizi, în care
unul are rol de oxidant, iar al doilea – de ligand, are loc dizolvarea metalului
cu formarea combinaţiilor coordinative. În calitate de exemplu poate servi
dizolvarea aurului sau a platinei în apa regală, care reprezintă amestec de
acid azotic (oxidant) şi acid clorhidric (ligand):
3Sn + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[SnCl6] + 4NO + 8H2O
Au + HNO3 + 4HCl = H[AuCl4] + NO + 2H2O
3Pt + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O
22
Cu soluţiile de baze alcaline reacţionează acele metale care sunt destul
de active pentru a substitui hidrogenul din apă şi hidroxizii cărora au
proprietăţi amfotere. De exemplu, zincul este un metal activ, capabil să
substituie hidrogenul din apă, însă hidroxidul care se formează este practic
insolubil în apă şi de aceea reacţia:
Zn + 2H2O = Zn(OH)2 + H2
repede se opreşte. Dacă se introduce zinc în soluţie de hidroxid de sodiu,
atunci hidroxidul de zinc, datorită proprietăţilor amfotere, se dizolvă în
soluţia bazică conform ecuaţiei:
Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4] + H2
Adunînd ambele ecuaţii se obţine:
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2
Pentru comparaţie se poate indica că metalul magneziu, care este mai
activ ca zincul, nu se dizolvă în baze fiindcă hidroxidul lui nu este amfoter,
iar metalul mai puţin activ – cuprul, hidroxidul căruia manifestă proprietăţi
amfotere, nu se dizolvă în baze, deoarece el nu este capabil să substituie
hidrogenul din apă.
Cu halogenii, metalele se combină direct formînd halogenuri, energia
de combinare fiind cea mai accentuată la metalele alcaline. Astfel, potasiul
reacţionează violent cu clorul, producînd explozie; platina şi aurul nu sunt
clorurate decît de apa regală.
Toate metalele, cu excepţia aurului, se combină cu sulful formînd
sulfuri; metalele alcaline reacţionează la cald energic cu sulful, pe cînd
platina nu reacţionează decît în stare fin divizată (pulbere). În general, cu cît
metalele se găsesc în stare de diviziune mai fină, cu atît combinarea lor cu
sulful este mai favorizată.
Coroziunea metalelor
Metalele şi aliajele, venind în contact cu mediul înconjurător, se
distrug. Procesul spontan de distrugere a metalelor la interacţiunea lor
chimică, electrochimică şi biochimică cu mediul ambiant se numeşte
coroziune (de la cuvîntul latin „corrodere” – a roade, a descompune).
Cauza de bază a coroziunii este instabilitatea metalelor şi aliajelor, ele
uşor trec în starea oxidată care este mai stabilă. Nu există nici un metal care
ar fi absolut rezistent faţă de coroziune. Se poate vorbi despre rezistenţa lui
în condiţiile date.
Pagubele provocate economiei de către coroziune ating proporţii uriaşe.
Conform datelor existente, aproape o treime din producţia mondială de metal
este scoasă din uz datorită coroziunii. Întrucât numai circa două treimi din
metalul corodat se recuperează prin topire, înseamnă că circa 10% din
23
producţia mondială se pierde definitiv ca urmare a acţiunii de distrugere a
coroziunii.
Pagubele datorate coroziunii sunt adesea legate nu numai de pierderile
de metal ci şi de scoaterea din funcţiune a unor instalaţii întregi, pentru a
căror prelucrare şi montare se cheltuieşte mai mult decât costul materialului
din care sunt făcute. Dacă pentru şinele de cale ferată costul materialului
depăşeşte costul de fabricaţie, pentru alte produse cum ar fi maşinile,
avioanele, aparatele de precizie etc., costul de fabricaţie depăşeşte cu mult
costul materialului.
Termenul de coroziune este convenţional şi cuprinde o serie de procese,
de schimbări chimice şi electrochimice prin care metalele trec dintr-o formă
elementară într-o formă combinată. Această trecere este posibilă deoarece în
natură, în mod obişnuit, metalele se găsesc sub formă combinată ca: oxizi,
carbonaţi, hidroxizi, a căror energie liberă este mai mică decât a metalului
pur, ceea ce determină tendinţa naturală a metalelor de a trece la forme cu
energie liberă mai redusă.
Prin coroziune se înţelege distrugerea materialelor datorită reacţiilor
chimice sau electrochimice cu mediul înconjurător. Atacul chimic direct este
posibil la toate materiile prime folosite în industrie, în timp ce atacul
electrochimic nu apare decât la metale, deoarece numai ele posedă electroni
liberi. Materialele sintetice nu posedă această structură ele fiind de obicei
supuse degradării numai prin atac chimic.
După mecanismul de desfăşurare se pot distinge două tipuri de
coroziune:
coroziunea chimică care se referă la procesele de distrugere a metalelor şi
aliajelor care se produc în gaze uscate, precum şi în lichide fără
conductibilitate electrică şi în majoritatea substanţelor organice;
coroziunea electrochimică se referă la procesele de degradare a metalelor
şi aliajelor în soluţii de electroliţi, în prezenţa umidităţii, fiind însoţite de
trecerea curentului electric prin metal.
Atât coroziunea chimică cât şi cea electrochimică, fiind procese ce se
desfăşoară la interfaţa metal-gaz, fac parte din categoria reacţiilor eterogene
şi se supun legilor generale ale cineticii acestor reacţii.
După aspectul distrugerii, coroziunea poate fi clasificată în: coroziune
continuă (când întreaga suprafaţă metalică a fost cuprinsă de acţiunea
mediului agresiv) şi coroziunea locală (când distrugerea se produce numai pe
anumite porţiuni ale suprafeţei metalului sau aliajului).
În practică, fenomenele de coroziune sunt în mod frecvent extrem de
complexe şi apar sub diferite forme, motiv pentru care o clasificare riguroasă
a tuturor acestor fenomene este greu de efectuat.
24
Coroziunea chimică se produce din cauza afinităţii dintre metal şi
unele gaze (O2, SO2, H2S, HCl gazos, CO, CO2, H2) sau lichide rău
conducătoare de electricitate (alcooli, benzine, benzoli etc.) provocând
modificări ale metalului manifestate prin: dizolvarea părţilor componente şi
pierderi de material; spălarea componenţilor; dezagregarea materialului de
către cristalele sărurilor care se formează în porii săi; mărirea sau reducerea
particulelor, deci şi a întregii mase a metalului.
Intensitatea procesului de coroziune chimică este condiţionată de:
natura materialului, natura materialului corosiv, concentraţia, temperatura şi
presiunea mediului corosiv şi durata de contact.
Dintre factorii externi, acţiunea cea mai dăunătoare asupra metalelor o
are oxigenul. Suprafaţa curată a multor metale expusă la aer se oxidează
rapid. Molecula de oxigen este absorbită şi concomitent scindată în atomi.
După aceasta are loc unirea atomilor de oxigen cu atomii de metal şi
formarea primului strat monomolecular de oxid. Dacă pelicula de oxid
formată prezintă proprietăţi protectoare, viteza de coroziune iniţială ridicată
scade rapid în timp.
Capacitatea de protecţie a peliculelor de oxid formate depinde de
permeabilitatea lor pentru substanţele cu care reacţionează.
Porozitatea peliculelor de oxid depinde de raportul dintre volumul
oxidului şi al metalului din care s-a format.
Coroziunea chimică la temperaturi ridicate se produce cu viteze mari.
Astfel la prelucrarea la cald a oţelului, prin laminare, unde temperaturile sunt
între 1200...1600K, grosimea peliculei de oxid ajunge uşor la câţiva
milimetri, ceea ce determină pierderi considerabile de metal la fiecare
încălzire. Acest fenomen este posibil deoarece de la temperatura de 850K
începe să se formeze pe suprafaţa oţelului un complex de oxizi (denumit
ţunder) cuprinzând: (cu începere de la suprafaţa metalului) FeO, Fe3O4 şi
Fe2O3 în straturi de grosimi diferite. Aceste straturi sunt poroase, permit
oxidarea în continuare a metalului şi se exfoliază.
De remarcat faptul că stratul interior de FeO este cauza slabei aderenţe
a oxizilor formaţi anterior la suprafaţa metalică, deoarece sub influenţa
atmosferei duce la formarea hidroxidului de fier, deci la apariţia ruginii, sub
stratul de oxizi de laminare, ceea ce grăbeşte îndepărtarea ei.
Coroziunea chimică a metalelor sau aliajelor se produce prin reacţii ce
se desfăşoară la suprafaţa acestora în contact cu gaze uscate sau soluţii de
neelectroliţi.
Produsele care rezultă sub acţiunea acestor medii rămân, în general, la
locul interacţiunii metalului cu mediul corosiv, sub formă de pelicule de
grosimi şi compoziţii diferite.
25
În funcţie de proprietăţile lor fizico-chimice peliculele de coroziune
exercită o influenţă importantă asupra desfăşurării ulterioare a procesului de
coroziune, a cineticii acestuia, putându-l frâna într-o măsură mai mare sau
mai mică.
Coroziunea electrochimică. Spre deosebire de coroziunea chimică,
metalele în contact cu soluţiile bune conducătoare de electricitate (electroliţi)
se corodează electrochimic. Soluţia şi metalul sunt străbătute, în acest caz, de
un curent electric, generat de procesele electrochimice care se desfăşoară la
limita celor două faze.
Pentru apariţia acestui tip de coroziune este necesar să existe un anod,
un catod, un electrolit şi un conductor, deci un element galvanic. Prin
înlăturarea uneia dintre aceste condiţii, coroziunea electrochimică nu se
produce. După cum în practica industrială metalele folosite în mod curent,
sunt eterogene, se pot considera ca fiind alcătuite din electrozi electrici
scurtcircuitaţi prin însăşi corpul metalului respectiv. Prin introducerea
metalului în apă sau în mediu cu proprietăţi electrolitice, pe suprafaţa
metalului apar elemente galvanice în care impurităţile din metal funcţionează
ca microcatozi cu descărcare de hidrogen pe suprafaţa lor, în timp ce metalul,
funcţionând ca anod se dizolvă.
Exemple tipice de coroziune electrochimică se întâlnesc în cazul
coroziunii atmosferice (ruginirea fierului) şi la coroziunea provocată de
curenţii electrici de dispersie din sol numiţi şi curenţi vagabonzi.
În problemele practice de coroziune, importantă este cunoaşterea
vitezelor reale cu care procesul se desfăşoară. Dacă procesul de coroziune
este posibil, dar are o viteză de desfăşurare foarte mică, se poate considera că
materialul este rezistent la coroziune. Viteza de coroziune se exprimă prin
masa de metal distrus pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp (g/m2h) sau
adâncimea la care au ajuns degradările în unitatea de timp (mm/an).
Cunoaşterea acestor indici, permit alegerea corespunzătoare a
materialului în funcţie de natura mediului, ceea ce determină o dimensionare
corespunzătoare a instalaţiilor şi o justă apreciere a duratei lor în exploatare.
Metode de protecţie anticorosivă a materialelor metalice. Protecţia
împotriva coroziunii reprezintă totalitatea măsurilor care se iau pentru a feri
materialele tehnice de acţiunea agresivă a mediilor corosive.
Metodele şi mijloacele de protecţie anticorosivă sunt foarte variate şi
numeroase; în principial ele se pot grupa în următoarele categorii:
metode de prevenire a coroziunii;
utilizarea metalelor şi aliajelor rezistente la coroziune;
metode de acţionare asupra mediului corosiv;
metode de acoperire a suprafeţelor metalice.
26
Cel mai întâlnit exemplu de coroziune este ruginirea fierului, o reacţie
chimică complexă în care fierul se combină şi cu oxigen şi cu apă pentru a
forma oxid de fier:
4Fe + 3O2 + 2H2O = 2(Fe2O3H2O)
Oxidul este un solid care menţine aceeaşi formă generală a metalului
din care a fost format, dar mai poros şi mai voluminos, fiind slab şi fragil,
deci nu poate proteja metalul de acţiunea ulterioară a oxigenului.
Se pot folosi trei metode pentru a preveni ruginirea fierului:
Crearea unui aliaj din fier care să reziste coroziunii;
Adăugarea unui strat dintr-un material care să reacţioneze cu
substanţele corosive mult mai rapid decât fierul, astfel pe măsura ce
acel strat se consumă, fierul este protejat.
Acoperirea cu un strat impermeabil în aşa fel încât aerul şi apa să nu
ajungă la fier.
Crearea unui aliaj din fier este cea mai bună metodă de protecţie dar şi
cea mai scumpă. Un exemplu ar fi oţelul inoxidabil care se obţine prin alierea
cromului sau a cromului şi a nichelului cu fierul. Acest aliaj nu este absolut
inoxidabil dar rezistă chiar şi sub acţiunea unor substanţe corosive puternice,
cum ar fi acidul azotic.
A doua metodă, protejarea cu un metal activ, este şi ea satisfăcătoare
dar scumpă. Cel mai întâlnit exemplu este metoda galvanizării, în care fierul
este acoperit cu un strat de zinc. În prezenţa soluţiilor corosive, un potenţial
electric apare între fier şi zinc, cauzând dizolvarea zincului şi protejarea
fierului pe toată perioada existenţei zincului.
A treia metodă, şi anume protecţia suprafeţei fierului cu un strat
impermeabil, este cea mai ieftină dintre toate şi de aceea cea mai des
întrebuinţată. Ea satisface cerinţele de protecţie a fierului atâta timp cât nu
apare nici o fisură pe strat. Odată ce stratul este crăpat, ruginirea începe cel
puţin la fel de rapid dacă nu ar fi avut nici o protecţie. Dacă stratul protector
este format dintr-un metal inactiv, cum ar fi cositor sau crom, se creează un
potenţial electric, protejând stratul de protecţie dar dăunând fierului,
permiţând ruginii să acţioneze cu o mai mare viteză. Cele mai eficiente
straturi de protecţie sunt cele cu smalţ, iar cele mai ieftine sunt vopselele
speciale, cum ar fi miniul de plumb.
Unele metale, cum ar fi aluminiul, chiar dacă sunt foarte active din
punct de vedere chimic, nu prezintă urme de coroziune sub condiţii normale
de atmosferă. De fapt, aluminiul se oxidează repede, şi un strat subţire,
continuu şi transparent de oxid se formează pe metal, protejându-l de la o
extindere rapidă a ruginii. Plumbul şi zincul, chiar dacă sunt mai inactive
decât aluminiul sunt protejate similar de aceste straturi subţiri de oxid. Cuprul
însă, un metal comparativ, este oxidat încet de către aer şi apă în prezenţa
27
unor acizi slabi, cum ar fi acidul carbonic, producând o substanţă verde şi
poroasă care nu este altceva decât carbonat de cupru. Aceste produse verzi
ale coroziunii, supranumite şi cocleli, apar pe aliajele din cupru cum ar fi
alama sau bronzul, şi de asemenea pe cupru pur.
Unele metale, numite şi metale nobile, sunt aşa de inactive chimic încât
nu suferă de coroziune din atmosferă. Printre ele se numără paladiul, aurul şi
platina. O combinaţie de apă cu aer şi sulfură de hidrogen acţionează asupra
argintului, care este un metal semi-nobil, dar cantitatea de sulfură de
hidrogen prezentă în atmosferă este aşa de mică încât gradul de coroziune
este neglijabil, exceptând pierderea lustrului şi schimbarea în negru a culorii,
care este cauzată de formarea sulfurii de argint.
Coroziunea metalelor este o mai mare problemă şi a altor materiale.
Sticla se corodează sub acţiunea unor soluţii alcaline, iar betonul sub acţiunea
soluţiilor rezistente la sulfaţi. Rezistenţa acestor materiale se poate mări
semnificativ modificându-le compoziţia.
Datorită rezistenţei la coroziune şi a durităţii materialelor ceramice,
fabricanţii folosesc des smalţul pentru acoperirea metalului şi protejarea lui.
Aparatele electro-casnice, cum ar fi frigiderele, cuptoarele, maşinile de spălat
şi uscătoarele sunt des acoperite cu un strat de smalţ.
Aluminiul. În aer liber, uscat, la temperatură obişnuită şi mai joasă,
aluminiul se conservă foarte bine deoarece se acoperă cu un strat subţire
(proaspăt, de circa 0,01 mm) de oxid (Al2O3), aderent şi compact. Apa de
ploaie, distilată, sau potabilă nu îl atacă. Încălzirea acestora determină
creşterea grosimii stratului iniţial de oxid. Apa sărată îl atacă doar la
suprafaţă.
Argintul începe să se oxideze în prezenţa urmelor de ozon sau la
încălzire la peste 200°C.
Aurul este atacat în soluţii apoase cu clor şi mai ales cu ionul CN-
(cian).
Beriliul are în combinaţii numărul de oxidare +2. Oxidarea lui mai
intensă are loc abia la 800°C. Oxidarea intensă a beriliului pulbere are loc la
temperaturi mult mai joase.
Cadmiul, la temperatură obişnuită, în aer curat, este stabil. În aer umed
se acoperă cu un strat protector de CdO care împiedică oxidarea în adâncime.
Cobaltul începe să reacţioneze cu oxigenul la peste 250°C, cu formare
până la 850°C de amestec de oxizi, format din CoO verde, la interior,
puternic aderent la metalul de bază şi Co3O4.
Cuprul este un metal puţin activ. La temperatură obişnuită nu
reacţionează cu aerul uscat sau umed. Aerul umed ce conţine CO2 acoperă
cuprul cu un strat de carbonat bazic (malahită sau cocleală). Cuprul încălzit la
28
peste 185°C se acoperă cu oxid cupros care la temperaturi înalte (>1000°C)
se transformă în oxid cupric.
Fierul rezistă la coroziune în funcţie de puritatea lui. Fierul de înaltă
puritate se distinge în funcţie de rezistenţa la coroziune. Rezistenţa la
coroziune în atmosferă şi soluţii neutre a fierului creşte, de asemenea prin
aliere în special cu proporţii mici de cupru. Cu oxigenul, fierul formează
oxizii: FeO, Fe2O3 şi Fe2O4.
Magneziul în aer liber uscat, la temperatură obişnuită, se acoperă cu un
strat subţire de oxid de magneziu ce îl protejează de oxidare în adâncime. La
ridicarea temperaturii însă, peste circa 475ºC viteza de oxidare creşte foarte
mult şi duce la distrugerea peliculei protectoare. În aer, industrial magneziul
se acoperă cu o peliculă de MgO şi MgCO3 slab rezistentă la coroziune în aer
umed şi marin. Apa ce conţine ioni de clor, fosfaţi, sulfaţi, azotaţi atacă
magneziul. Este atacat de asemenea de apa marină şi sărată. Rezistă la
coroziune în alcool etilic, HF, NaF, KF, NaOH, petrol, acetonă, benzină,
motorină, metan, etan, sodă , sulf topit, CS2, cromaţi, bicromaţi, fenol, crezol
etc.
Platina este un metal puţin activ şi rezistă la orice fel de apă (de mare,
sărată, dulce, minerală). Cu oxigenul formează oxizi bazici (PtO), amfoteri
(PtO2 şi Pt2O3) şi acizi (PtO3).
Plumbul are o stabilitate la coroziune ce depinde de mediul agresiv,
temperaturi şi impurităţi.
Titanul rezistă bine la coroziune în orice apă, inclusiv în cea de mare.
În schimb, pulberea de titan cu cât este mai dispersată şi neoxidată cu atât
este mai activă.
Uraniul, în apă, la temperatură obişnuită, este repede atacat şi se
descompune lent cu formare de UO2 protector.
Zincul formează cu oxigenul oxidul ZnO care se obţine prin arderea
zincului, aproximativ până la temperatura de fierbere a acestuia.
29
Lucru individual
1. La acţiunea acidului clorhidric asupra unui metal, masa metalului
dizolvat (în grame) este de 2,5 ori mai mare decît volumul hidrogenului
degajat (în litri, c.n.). Ce metal a fost luat, dacă acesta la dizolvare în acid
s-a oxidat pînă la gradul de oxidare +2?
2. La arderea a 10 g de metal s-au obţinut 18,9 g oxid, metalul şi-a scimbat
gradul de oxidare pînă la +3. Care este metalul? Ce volum de oxigen
(c.n.) s-a consumat la oxidare?
3. La soluţia cu masa de 50 g, partea de masă de acid clorhidric constituind
12%, a fost introdusă pe cîtva timp o placă de metal cu masa de 4 g, care
se dizolvă în acidul clorhidric cu formarea ionului Me2+
. După reacţie
masa plăcii s-a micşorat cu 42% şi s-au degajat 672 ml gaz (c.n.).
Determinaţi partea de masă de acid clorhidric în soluţie după reacţie şi
masa precipitatului, care se va forma la adăugarea în această soluţie a
unui exces de soluţie de sulfură de sodiu.
4. Sulfura de argint se găseşte în natură sub formă de mineralul argentit. Ce
masă de argint se poate obţine din 25 kg de acest mineral, dacă partea de
masă a impurităţilor alcătuieşte 30%?
5. Un amestec de zinc şi oxidul lui cu masa de 2,56 g s-a tratat cu soluţie de
acid clorhidric cu partea de masă a acidului de 14,6% ( = 1,071 g/ml).
Pentru dizolvarea completă a amestecului se consumă 49,4 ml de soluţie
de acid. Calculează părţile de masă ale componeţilor în amestecul iniţial.
6. Pentru analiză s-au luat 28 g de aliaj de cupru şi magneziu şi s-au
dizolvat în acid azotic concentrat. Soluţia a fost evaporată, iar masa
rămasă a fost calcinată. În rezultat se degajă 42 l gaz (c.n.). Calculează
părţile de masă ale metalelor în aliaj.
7. Calculează masa soluţiei de acid azotic cu partea de masă a acidului 20%
necesară pentru dizolvarea completă a 15g cupru tehnic, care conţine
14,67% impurităţi.
8. Calculează masa fierului obţinut din 500 kg magnetită (Fe3O4) dacă
randamentul procesului reprezintă 80% din cel teoretic.
9. 15 g amestec de zinc şi oxid de zinc s-a prelucrat cu exces de soluţie de
hidroxid de potasiu. În rezultat s-a degajat gaz cu volumul de 4,48 l
(c.n.). Stabileşte părţile de masă ale componenţilor în amestecul iniţial.
10. Ce volum de soluţie cu partea de masă a hidroxidului de potasiu 22% şi
densitatea 1,2 g/ml va fi necesar pentru dizolvarea completă a 200 g
amestec, ce conţine 20% aluminiu, 50% oxid de aluminiu şi 30%
hidroxid de aluminiu?
11. La calcinarea piritei cu masa de 1t a fost obţinut SO2 cu volumul de 350
m3
(c.n.). Determinaţi puritatea piritei.
30
12. Masa unui amestec de Mg, Al, şi Fe este 8,9 g. După tratarea amestecului
cu exces de soluţie de acid azotic concentrat la rece masa reziduului a
devenit 4,1 g. Reziduul a fost tratat cu soluţie concentrată de bază, în
care nu s-a dizolvat o parte din reziduu cu masa 1,4 g. Stabiliţi părţile de
masă a metalelor în amestec.
13. Propuneţi metoda de obţinere a fierului din minereul magnetit (oxid de
fier – Fe3O4). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor respective. Calculaţi
masa metalului care poate fi obţinut din 500 kg de magnetit ce conţine
20% de impurităţi, dacă randamentul procesului constituie 75% faţă de
cel teoretic.
14. Propuneţi metoda de obţinere a zincului din minereul smithsonit
(carbonat de zinc – ZnCO3). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor
respective. Calculaţi masa metalului care poate fi obţinut din 1 tonă de
smithsonit ce conţine 15% de impurităţi, dacă randamentul procesului
constituie 85% faţă de cel teoretic.
15. Propuneţi metoda de obţinere a fierului din minereul sideroza (carbonat
de fier – FeCO3). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor respective. Calculaţi
masa metalului care poate fi obţinut din 400 kg de sideroză ce conţine
18% de impurităţi, dacă randamentul procesului constituie 80% faţă de
cel teoretic.
16. Propuneţi metoda de obţinere a zincului din minereul blenda (sulfură de
zinc – ZnS). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor respective. Calculaţi
masa metalului care poate fi obţinut din 1 tonă de blendă ce conţine 30%
de impurităţi, dacă randamentul procesului constituie 70% faţă de cel
teoretic.
17. O placă de cupru cu masa egală 10 g a fost întrodusă în soluţie de nitrat
de argint. Peste un timp placa a fost scoasă, spălată, uscată şi cîntărită din
nou. Masa plăcii a devenit egală cu 11 g. Ce masa de argint s-a depus pe
placă?
18. Pulberea de magneziu cu masa 20 g a fost introdusă în soluţie de sulfat
de cupru. Peste un timp pulberea metalică a fost separată de soluţie,
uscată şi cîntărită. Masa ei a devenit egală cu 28 g. Determină masa
cuprului depus din soluţie.
19. Pulberea de magneziu cu masa 40 g a fost introdusă în soluţie de sulfat
de zinc. Peste un timp pulberea metalică a fost separată de soluţie, uscată
şi cîntărită. Masa ei a devenit egală cu 56 g. Determină masa zincului
depus din soluţie.
20. O placă de cupru cu masa de 101,87 g s-a cufundat în soluţie de nitrat de
argint. Peste un timp placa a fost scoasă, spălată, uscată şi cîntărită din
nou. Masa plăcii a devenit egală cu 118,61 g. Calculează masa cuprului,
ce a trecut în soluţie.
31
21. Alege un metal, care să corespundă următoarei serii de transformări.
Scrie şi egalează ecuaţiile reacţiilor respective:
a) oxid de metal metal clorură de metal nitrat de metal
hidroxid de metal oxid de metal sulfat de metal metal
b) carbonat de metal oxid de metal metal sulfat de metal
clorură de metal metal nitrat de metal oxid de metal
c) sulfură de metal oxid de metal metal sulfat de metal nitrat
de metal hidroxid de metal clorură de metal metal
d) metal oxid de metal sulfat de metal nitrat de metal oxid de
metal metal clorură de metal metal
32
REFERINŢE BIBLIOGRAFICE
1. Cocunov T., Popov M., Fusu I. Curs de chimie. Chişinău, 1998.
2. Sandu I., Gulea A., Şova S. Structura atomului. Chişinău, 1994.
3. Sandu I., Gulea A., Şova S. Legătura chimică. Chişinău, 1995.
4. Glinca N. Chimie generală. Editura Lumina, 1984.
5. Gulea A., Sandu I., Popov M. Lucrări practice de chimie anorganică.
Chişinău, 1994.
6. Probleme şi exerciţii de chimie anorganică, sub redacţia A. Gulea,
Chişinău, 2000.
7. Rabega C., Rabega M. Chimia generala. Bucureşti, Ed. Didactica
pedagogică. 1975.
8. Gulea A., Berdan I., Novitchi Gh., Cecal Al.. Chimia metalelor.
Chişinău: CE USM, 2004.
9. Ifrim S., Rosca M. Chimie generală. Bucureşti, Ed. tehnica 1989.
10. Bumbu I. Microelementele în viaţa plantelor, animalelor şi a omului.
Chişinău: Ştiinţa. 1970.