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Propiedades de los metales
 

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    Propiedades de los metales Propiedades de los metales Document Transcript

    • Trabajo de Química BETTY LOS METALESQUÉ SON LOS METALESGrupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas:estado Sólido a Temperatura normal, excepto el Mercurio que es Líquido; opacidad, excepto encapas muy finas; buenos conductores eléctricos y térmicos; brillantes, una vez pulidos, y estructuracristalina en estado sólido. Formas comunesMetales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea diagonal deelementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a laderecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal —Boro, Silicio, Germanio,Arsénico, Antimonio, Teluro, Polonio y Astato— tienen propiedades tanto metálicas como nometálicas.Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: Aluminio, Bario, Berilio, Bismuto,Cadmio, Calcio, Cerio, Cromo, Cobalto, Cobre, Oro, Iridio, Hierro, Plomo, Litio, Magnesio,Manganeso, Mercurio, Molibdeno, Níquel, Osmio, Paladio, Platino, Potasio, Radio, Rodio, Plata,Sodio, Tantalio, Talio, Torio, Estaño, Titanio, Volframio,Uranio, Vanadio y Cinc.Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementosformando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales o de un metal yciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otroselementos metálicos son conocidas como Amalgamas.Los metales se diferencian del resto de elementos, fundamentalmente en el tipo de enlace queconstituyen sus átomos. Se trata de un enlace metálico y en él los electrones forman una nube quese mueve, rodeando todos los núcleos. Este tipo de enlace es el que les confiere las propiedades decondición eléctrica, brillo etc.Hay todo tipo de metales - metales pesados, metales preciosos, metales ferrosos, metales noferrosos... y el mercado de metales es muy importante en la economía mundial.DEFINICIÓN.Se llama metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y laelectricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sussales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la bandade valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da lacapacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la 1
    • Trabajo de Química BETTYluz, lo que le da su peculiar brillo.En ausencia de una estructura electrónica conocida, se usa el término para describir elcomportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos de presión y temperatura, laconductividad eléctrica disminuye al elevar la temperatura, en contraste con los semiconductores.El concepto de metal refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con característicasmetálicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódicade los elementos y se separan de los no metales por una línea diagonal entre el boro y el polonio.En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, porlo que es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen.En astrofísica se llama metal a todo elemento más pesado que el helio.ESTADO NATURALDe conformidad con su actividad química únicamente los metales situados después del hidrógenoen la serie de actividad de los metales podrán encontrarse en estado libre o nativo. Li K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt AuEl cobre, el mercurio, la plata, el oro y los metales del grupo del platino son los únicos metales quese presentan en estado nativo en la Naturaleza, aunque muchos de ellos se hallan también en formade combinación. Los minerales cuya concentración de metal es suficiente para que su extracciónresulte provechosa reciben el nombre de menas.Esta concentración varia según el precio de los Metales. Así una Mena con un 10% de hierro notiene valor metalúrgico, mientras que un mineral con un 10% de cobre justifica económicamente suexplotación y un mineral con un 0,002% de oro constituye una mena valiosa de este metal. Tambiénes de importancia la composón, lo cual supuso un gran avance.Hasta ese momento, los metales solo podían trabajarse ejerciendo fuerza sobre ellos, es decir,golpeándolos con otro metal. En cambio, la fundición permitió derretirlos, es decir, convertir elelemento sólido en líquido, al someterlo a altísimas temperaturas. De esta forma, fue posible dar alos metales la forma deseada, por ejemplo, mediante moldes. Existen diversos tipos de metales.Normalmente, se clasifican en preciosos (oro, plata, platino) y no preciosos (hierro, cobre, estaño,plomo).EDAD DE LOS METALESIniciación del mineral; una mena sulfurada que tenga un 46% de hierro debe desecharse por unamena óxido con menor proporción de metal. 2
    • Trabajo de Química BETTYHISTORIALos metales empezaron a utilizarse, aproximadamente, en el año 10000 a.c.; por eso, conocemosese período histórico como la edad de los metales, que comenzó con la edad del cobre. 5.000 añosmás tarde se descubrió la fundiciLlegó un momento de la prehistoria en que los pueblos dejaron de hacer sus instrumentos conpiedra y pasaron a fabricarlos con metales (porque aprendieron las técnicas necesarias para ello). Laedad de los metales se divide en tres periodos. • La Edad del Cobre. El cobre fue el primer metal utilizado por los seres humanos. • La Edad del Bronce. Se llama así porque el hombre empezó a utilizar el bronce, después de aprender a alear (mezclar) el cobre con otro metal: el estaño. Las antiguas culturas de Mesopotamia nacieron y se desarrollaron durante la edad del bronce. Al final de ese periodo surgieron también las primeras civilizaciones de Grecia. • La Edad del Hierro. Los utensilios pasaron a fabricarse con hierro. Comenzó en Oriente Próximo hace aproximadamente 3.200 años (aunque en la mayor parte de Europa no se inició hasta hace unos 1.300 años, y en América no se trabajó el hierro hasta la llegada de los europeos a finales del Siglo XV de nuestra era). Los europeos de la edad del hierro pertenecieron, en su mayor parte, a la cultura celta. La edad del hierro acabó en casi toda Europa a medida que se producía en cada zona la conquista romana Propiedades de los metalesPropiedades físicasLas propiedades físicas de los metales mas importantes son la del tipo general consideradas encualquier sustancia, tales como la densidad, puntos de fusión y de ebullición, calor especifico,conductividad calorífica, resistencia eléctrica, coeficientes de dilatación y de compresibilidad,estructura cristalina y las de tipo mecánico de gran interés técnico, que expresan la resistenciaofrecida por el metal a las distintas clases de esfuerzos a que ha sido sometido.Los metales muestran un amplio margen en sus propiedades físicas. La mayoría de ellos son decolor grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto es rosáceo, el cobre rojizo y eloro amarillo. En otros metales aparece más de un color, y este fenómeno se denomina pleocroísmo.El punto de fusión de los metales varía entre los -39 °C del mercurio y los 3.410 °C del wolframio.El iridio, con una densidad relativa de 22,4, es el más denso de los metales. Por el contrario, el litioes el menos denso, con una densidad relativa de 0,53. La más baja conductividad eléctrica la tiene elbismuto, y la más alta a temperatura ordinaria la plata.La conductividad en los metales se puede reducir mediante aleaciones. Todos los metales seexpanden con el calor y se contraen al enfriarse. Ciertas aleaciones, como las de platino e iridio,tienen un coeficiente de dilatación extremadamente bajo.Las propiedades mecánicas más importantes son las correspondientes a efectos de tracción,compresión, flexión, torsión, cizalladura, penetración (dureza), etc. La capacidad de deformación 3
    • Trabajo de Química BETTYplástica de un metal para poder ser estirado en alambres se denomina ductilidad y la plasticidadcorrespondiente a ser laminado o martillado en chapas delgadas recibe el nombre de maleabilidad.Los metales más maleables en el orden decreciente son oro, plata, cobre, estaño, platino, plomo,cinc y hierro. El antimonio y el bismuto son muy frágiles, pues se rompen al martillado. El hierrodulce o forjado puede doblarse y torcerse sin que se rompa, y de dice que es muy tenaz; en cambioel hierro colado o fundido se rompe a la menor flexión y por tanto es frágil.En los metales predomina el carácter electropositivo, es decir, que tienden preferentemente a formarcationes, y en sus compuestos siempre presentan número de oxidación positivo. El enla ce metálicodifiere del enlace iónco y del covalente, y premite explicar muchas de las propiedadescaracterísticas del estado metálico.Propiedades químicasLas propiedades químicas características de los metales son: • Formación de cationnes: La facilidad relativa de los metales en perder electrones origina iones positivos o cationes, los cuales constituyen radicales positivos de las sales • Sus óxidos e hidróxidos son básicos: Si un mismo metal forma varios hidróxidos, la basicidad de estos disminuye al aumentar el número de oxidación del elemento metálico. • Los haluros son compuestos heteropolares que en disolución se disocian en los iones correspondientes: Al disolver en agua el haluro de un elemento se forman iones haluro e iones positivos del elemento unidos a moléculas de agua. Estos iones se comportan como ácidos y la cesión de protones es tanto mayor cuanto mas elevada es la carga del elemento y menor su radio. • Actúan únicamente como reductores: La tendencia única de los metales en ceder electrones les hace comportarse como reductores. El carácter reductor aumenta con aquella tendencia y por tanto es muy elevado para los metales alcalinos y alcalinotérreos, o sea, para los elementos situados a la izquierda de la tabla periódica y mejor aun, en la parte inferior de la mismaEstructura electrónicaLos metales y aleaciones presentan enlace metálico al constituir cristales metálicos. Este tipo deenlace se encuentran en metales sólidos como el cobre, hierro y aluminio. En los metales, cadaátomo metálico está unido a varios átomos vecinos. Los electrones de enlace tienen relativa libertadpara moverse a través de toda la estructura tridimensional.Los enlaces metálicos dan lugar a las propiedades características de los metales. Hoy se acepta queeste enlace no es precisamente entre átomos, sino un enlace entre cationes metálicos y suselectrones. El modelo más sencillo para explicarlo propone un ordenamiento de cationes en un“mar” de electrones de valencia.La mayoría de los metales cristalizan en el sistema cúbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonaly en el tetragonal. 4
    • Trabajo de Química BETTY APLICACIONES GENERALES DE LOS METALES.Los metales tienen una gran importancia para nuestra sociedad desarrollada de hoy en día. Sin losmetales y los recursos minerales seguramente no podríamos tener muchos de los “lujos” de los quedisponemos:Muchos de los importantes inventos que han permitido un avance en el desarrollo de la humanidadno se habrían podido llevar a cabo.Las aplicaciones de los metales son innumerables. Por poner varios ejemplos citamos los medios detransporte modernos (como el avión, los buques, los coches, trenes...), ya que son necesarios en sufabricación. La electricidad, porque los metales conductores son los que permiten el paso de la misma en los cables, sin ella no habría luz, ni agua(ya que la fuerza del agua en las tuberías la logra gracias a la electricidad) ni nada que fuera relacionada con ella. La gran mayoría de los metales son buenos conductores de la electricidad, el más utilizado es el cobre. Las viviendas; es cierto que podrían haber viviendas de hormigón con vigas de madera, pero también lo es que con vigas de metales serían más resistentes y pueden tener bastantes pisos de altitud. Los medios de comunicación y sistemas industriales, La mayoría de los aparatos modernos y equipos industriales son fabricados con diferentes metales. Además porque todos los medios de comunicación necesitan metales en sus industrias, sin los metales no habría computadores que ordenaran a las máquinas el trabajo que deben hacer (ya se sabe que las máquinas pueden hacer el mismo trabajo que los hombres pero muchísimo más rápido).Por todos estos motivos podemos concluir que su utilización se centra principalmente en ámbito dela construcción, ya que brinda ventajas considerables respecto a los otros materiales gracias a lascaracterísticas que ellos poseen de durabilidad, ductibilidad, resistencia a condiciones climáticasfuertes, etc. 5
    • Trabajo de Química BETTY PROCESOS INDUSTRIALES DE FABRICACIÓN EN METALES FABRICACIÓN INDUSTRIAL CON METALESLa fabricación de productos metálicos o componentes para su montaje en productos toma muchasformas: 1. ESTAMPACIÓN: Es uno de los procedimientos de prensa más sencillo. Se usa una perforadora endurecida para acuñar el metal laminado a través de un troquel. 2. TROQUELADO: Es el modelado de componentes del metal laminado entre una perforadora y un troquel. Los componentes fabricados de esta forma tienen medidas muy exactas y el endurecimiento por medios mecánicos le proporcionan resistencia y rigidez. 3. FRESADO: El fresado es el empleo de una cortadora giratoria que da forma a la pieza metálica que se trabaja en la maquina. La pieza esta sujeta a una mesa que se puede mover en relación a la fresa. 4. RECTIFICADO: Es el proceso de eliminación por medio del contacto autolimpiador de un material abrasivo como el carborundo. A diferencia del corte profundo con una herramienta metálica, el rectificado aplica sólo una fuerza diminuta a la pieza que se trabaja en la máquina. 5. TALADRO: Taladrar un agujero circular es una de las operaciones más corrientes de cortes de metales. La herramienta cortante suele ser una barra espiral. En industrias son corrientes las taladradoras pluricabezales. 6. FORJA: La forja es el modelado del metal empleando fuerzas de compresión. El metal suele estar caliente, pero algunos procedimientos se llevan a cabo en frío. La forja 6
    • Trabajo de Química BETTY que ha alcanzado la temperatura especificada aumenta la plasticidad del metal, y disminuye las fuerzas necesarias para trabajarlo. 7. FORJA DE ESTAMPACIÓN: Es la formación de un componente con una barra metálica o palanquilla entre dos medios troqueles. El metal caliente se coloca en el troquel inferior y el golpe de un martillo mecánico la fuerza a entrar en la cavidad entre el troquel superior y el inferior. Las piezas fabricadas de esta manera no suelen poder formarse con un solo martillazo en un solo1 troquel. Entre los metales utilizados en la forja de estampación están el acero bajo en carbono y el acero medio de carbono, el aluminio y las aleaciones de cobre. 8. ENCABEZAMIENTO EN FRIO: Es el proceso de convertir barras de metal frío o alambres en componentes “apretando” el metal contra una cavidad del troquel. El latón, el acero inoxidable, el acero bajo en carbono y el de contenido medio de carbono son los materiales más usados por lo general en este proceso. El único y más numeroso de este proceso está en la fabricación de pernos, tornillos, remaches y clavos. 9. LAMINADOR DE ROSCAS: Es un método de aplicar una rosca a pernos hechos a máquina producido por encabezamiento en frío. Las formas moleteadas , las acanaladuras y los engranajes helicoidales han sido unas cuantas de las múltiples formas que se pueden hacer formando perfiles con rodillos. 10. EXTRUSION POR PERCUSION-EXTRUSION HACIA DELANTE: Este proceso consiste en conseguir hacer entrar un cilindro caliente de metal en un troquel de extrusión empleando un ariete hidráulico. Este método aplica una rosca a pernos hechos a máquina producido por encabezamiento en frío. De esta forma se puede producir un número casi infinito de secciones transversales sólidas, así como tuberías. Entre los productos fabricados con perfiles extraídos están: marcos de puertas y ventanas, bisagras, componentes para cerraduras, cintas para cantos, etc. El mayor número de secciones producidas se fabrican con aluminio y latón.1http://html.rincondelvago.com/metales_2.html 7
    • Trabajo de Química BETTY11. FUNDICION EN ARENA: Es el modelado de un metal “vertiendo” metal fundido en un molde. La arena es un material especialmente bueno para hacer moldes. Puede resistir a temperaturas muy altas y se puede moldear en formas complejas. Entre los metales de fundición más corrientes están el hierro colado, acero, aleaciones de aluminio y latón. Los bloques del motor de automóviles y las culatas del cilindro, los soportes para maquinaria pesada, tapas de registro, y el bastidor de tornillo de bancos de un mecánico (como los de los talleres escolares) son ejemplos de productos fundidos en arena.12. FUNDICION A PRESION: Cuando se tienen que fabricar muchos artículos con la misma forma se emplea la fundición a presión. En este proceso, el metal fundido es forzado a entrar en la cavidad que hay entre los troqueles a una presión elevada. Después de que se ha inyectado el metal, la presión se mantiene mientras el metal se solidifica. Entonces los portatroqueles se abren y la pieza fundida es expulsada automáticamente. La fundición a presión se limita a metales no ferrosos cuyas temperaturas de fusión no dañan los troqueles.13. TRABAJO A MAQUINA: A algunos componentes se les puede dar su forma definitiva con un solo procedimiento, igual que en la fundición a presión. 8
    • Trabajo de Química BETTY Sin embargo muchos tienen que ser trabajados a máquina para darles una forma definitiva, los procesos de trabajo a máquina, entre los que están: taladro, corte y rectificado, se llevan a cabo en máquinas-herramienta. 14. TRABAJO CON TORNO: La rotación es la operación más básica que se lleva a cabo en un torno. La herramienta se puede mover de un lado a otro, a lo largo y en ángulo con la pieza que se trabaja en la máquina. Entre otras operaciones del torno están: taladrado y roscado El torno central es solamente adecuado para “producción de piezas distintas cada vez”Técnicas para trabajar y decorar los metalesTambién existen varias técnicas para trabajar el metal. Una de ellas es el martillado, conocidotambién como forja: calentándolo, pero sin llegar al punto de fundición, el metal se ablanda; esentonces cuando se golpea con otro metal, obteniendo formas todavía rudimentarias. La forja seutiliza sobre todo con el hierro.Otra técnica muy extendida es la soldadura. Consiste en la unión de varios metales por uno o variospuntos, aplicando calor en las partes que se desea unir. Esta técnica fue muy utilizada en el SigloXX, sobre todo, por los artistas de las vanguardias europeas, como, por ejemplo, el español JulioGonzález.La última de las técnicas más importantes de la metalistería es la aleación. Comenzó a usarse en el3000 a.C., 2.000 años después de la invención de la fundición. Pero, a diferencia de esta técnica, enla que se calienta un único tipo de metal, en la aleación intervienen varios tipos, creando así unmetal nuevo. El ejemplo más importante de aleación es la del bronce, que es el metal que resulta de 9
    • Trabajo de Química BETTYla unión del cobre y del estaño.Pero, al tratar los metales, hemos de explicar también cuáles son las técnicas para decorarlos. Laprimera de ellas es el repujado, quizá una de las más sencillas y primitivas que consiste en golpearel metal desde dentro hacia fuera, es decir, desde la parte no visible a la parte visible del objetoartístico o utilitario.Del mismo modo funciona otra de estas técnicas decorativas, la del cincelado, pero, en este caso, elmetal se trabaja desde fuera hacia dentro. El resultado son incisiones o hendiduras que se realizancon punzones o gubias (similares a las que se usan en la técnica del grabado).Otra técnica muy importante es el dorado. El objeto de metal, en este caso, se decora con láminas deoro muy finas. Este procedimiento es similar al que usaban los pintores del románico y del gótico:los fondos de sus cuadros, e incluso las ropas de las figuras, se realizaban también con láminas deoro, que se conocen como ‘pan de oro’.La granulación o filigrana es otra técnica decorativa. Consiste en pegar pequeñas bolitas,normalmente de oro, que se unen entre sí formando una fina y delicada red. Por último, hay quehablar de la decoración con otros metales, aprovechando sus diferentes colores y texturas, y de ladecoración con otros materiales, como esmaltes, marfil, jade, ámbar, etc., también muy frecuente. 10
    • Trabajo de Química BETTY Propiedades de los metales PROPIEDADES DE LOS METALESPropiedades Fìsicas La mayoría son de color grisáceo Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse El punto fusión varía entre -39ºC a 3410ºC Son dúctiles y maleables Algunos son frágiles y otros tenaces. Presentan brillo característico.Propiedades Quìmicas Formación de cationnes Sus óxidos e hidróxidos son básicos Los haluros son compuestos heteropolares Actúan únicamente como reductores Con los halògenos forman salesTabla 1.- propiedades de los metales.Definiciones de términosAleación: Una aleación es la mezcla de dos o más elementos, siendo uno de ellos el metaArrabio: Hierro líquido con menos impurezas que el hierro inicialEscoria: Las impurezas que reaccionan con calizaAlto horno: Horno para hacer aleaciones y fundiciones, se alcanzan temperaturas muy elevadas.Hay que construirlo con materiales refractarios, es decir muy resistentes al calor22http://www.estudiantes.info/tecnologia/metales/metales.htm 11
    • Trabajo de Química BETTYÍndice de contenidoLOS METALES ...............................................................................................................................2QUÉ SON LOS METALES.................................................................................................................2 .............................................................................................................................................................2DEFINICIÓN.......................................................................................................................................2ESTADO NATURAL ..........................................................................................................................3EDAD DE LOS METALES ................................................................................................................3HISTORIA ...........................................................................................................................................4Propiedades de los metales...................................................................................................................4Propiedades físicas ..............................................................................................................................4Propiedades químicas ..........................................................................................................................5Estructura electrónica ..........................................................................................................................5APLICACIONES GENERALES DE LOS METALES.......................................................................6PROCESOS INDUSTRIALES DE FABRICACIÓN EN METALES ...........................................7FABRICACIÓN INDUSTRIAL CON METALES..............................................................................71.ESTAMPACIÓN: .............................................................................................................................72.TROQUELADO: ..............................................................................................................................73.FRESADO:........................................................................................................................................74.RECTIFICADO: ...............................................................................................................................76.FORJA:..............................................................................................................................................77.FORJA DE ESTAMPACIÓN:...........................................................................................................88.ENCABEZAMIENTO EN FRIO:.....................................................................................................89.LAMINADOR DE ROSCAS:...........................................................................................................810. EXTRUSION POR PERCUSION-EXTRUSION HACIA DELANTE:.......................................811.FUNDICION EN ARENA: ............................................................................................................912.FUNDICION A PRESION: ............................................................................................................913.TRABAJO A MAQUINA: .............................................................................................................914.TRABAJO CON TORNO: ...........................................................................................................10Técnicas para trabajar y decorar los metales .....................................................................................10Propiedades de los metales.................................................................................................................12 ..........................................................................................................................................................12PROPIEDADES DE LOS METALES...............................................................................................12Definiciones de términos ...................................................................................................................12 12