Metalele sunt substanţe solide la temperatură obişnuită, cu excepţia mercurului, care este lichid.

Proprietăţile caracteristice ale metalelor, ca de exemplu conductibilitatea electrică şi conductibilitatea termică, sunt explicate prin natura structurală şi electronică a metalelor.

În cristalele metalelor, aşezarea atomilor se face după principiul unei structuri cât mai compacte. De aceea metalele cristalizează în unul din cele trei tipuri de reţele cristaline: cubică compactă, hexagonală compactă şi cubică centrată intern.

În metalele compacte, atomii sunt legaţi între ei prin electronii de valenţă care însă nu mai aparţin fiecărui atom în parte, ci tuturor atomilor învecinaţi, fiind repartizaţi pe benzi de energie.

 Proprietăţile metalelor

Metalele prezintă proprietăţi diferite de cele ale nemetalelor. Toate proprietăţile caracteristice metalelor sunt valabile pentru metalele în stare solidă şi lichidă. În stare gazoasă metalele nu se mai deosebesc de nemetale.

 Proprietăţi fizice

Metalele au luciu caracteristic, numit luciu metalic, datorită puterii lor de reflexie a luminii. Metalele sunt opace, chiar în strat subţire, deoarece undele luminoase lovind electronii mobili din metal

sunt amortizate şi nu sunt transmise mai departe.

1)Culoarea metalelor este variată. Cele mai multe metale în stare compactă sunt albe, înţelegând prin alb, albul metalic; astfel, plumbul, argintul sunt considerate metale albe. Câteva metale sunt însă colorate: cuprul este galben-roşiatic, aurul—galben, cesiul—gălbui etc. Când sunt în pulbere fină, aproape toate metalele au culoare cenuşie-neagră.

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.

2)Densitatea metalelor variază în limite largi; de exemplu, litiul are densitatea 0,53 sau potasiul are densitatea 0,86, pe când platina are densitatea 21,45, iar osmiul, cel mai greu metal, are densitatea22,5. Se obişnuieşte să se considere metalele cu densitatea mai mică decât 5, metale uşoare, iar cele cu densitatea peste 5, metale grele. Astfel, potasiul, sodiul, calciul, magneziul, aluminiul sunt considerate metale uşore, pe când zincul, staniul, fierul, cuprul sunt metale grele.

3)Punctul de topire variază forte 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, decât 1000°C; de exemplu, cuprul se topeşte la 1083°C, fierul la sodiul la 97,8°C). Sunt, însă, metale al căror punct de topire este mai înalt 1536°C, wolframul la 3410°C. În general, metalele cu volum atomic mic se topesc la temperaturi ridicate, pe când metalele cu volum atomic mare se topesc la temperaturi scăzute, deoarece reţeaua lor cristalină se distruge mai uşor. Diferenţa între punctele de topire a metalelor este folosită pentru separarea metalelor între ele, la fabricarea aliajelor şi la prelucrarea metalelor.

4)Conductibilitatea electrică specifică, adică conductivitatea, γ, a metalelor este mare. Când nu este sub influenţa unui câmp electric exterior, în metalul compact nu se manifestă un transport de sarcini, sesizabil; electronii din orbitalii moleculari ocupaţi ai benzii se mişcă

fără o direcţie privilegiată. Ca urmare, electronii din orbitali

ocupaţi nu participă la transportul curentului electric.

La aplicarea unei diferenţe de potenţial, electronii din orbitalii moleculari ocupaţi căpătând un surplus de energie sunt promovaţi în orbitali moleculari vecini, neocupaţi, din banda de energie parţial ocupată şi preiau transportul de curent.

Se înţelege că metalele alcaline, la care banda de valenţă este umplută pe jumătate, au conductibilitatea electrică mai bună decât metalele alcalino-pământoase, la care banda de valenţă este complet ocupată. Bună conductibilitate electrică manifestă şi metalele din grupa I B, adică Cu, Ag, Au, explicată prin volumele lor atomice, care sunt mici.

Conductibilitatea electrică a metalelor este influenţată de oscilaţiile atomilor în jurul poziţiilor fixe din reţeaua cristalină, de neregularităţile reţelei cristaline, cum şi de prezenţa unor atomi străini conţinuţi ca impurităţi în reţea.

Deoarece prin creşterea temperaturii, oscilaţiile atomilor se intensifică, undele staţionare ale electronilor se formează mai greu, deci conductibilitatea electrică a metalului scade. La răcire, fenomenul este invers: oscilaţiile atomilor în jurul poziţiilor lor din reţeaua cristalină slăbesc, undele staţionare ale electronilor se formează mai uşor, deci conductibilitatea electrică a metalului creşte. Aproape  de   zero absolut (-273°C), metalele îşi pierd complet rezistenţa electrică şi devin conductori „ideali”. Acest fenomen se numeşte supraconductibilitate.

5)Rezistenţa electrică specifică sau rezistivitatea, adică rezistenţa pe care o opune curentului electric o porţiune din metal cu o secţiune de 1 cm² şi o lungime de 1 cm, se exprimă în Ω·cm. La 20°C, rezistenţa electrică specifică a argintului este1,62·10⁶ 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, deoarece atomii substanţelor străine intră în reţeaua

cristalină a metalului şi împiedică astfel formarea undelor staţionare

 ale electronilor. De aceea, pentru rezistenţe electrice se folosesc aliaje şi nu metale pure. Astfel, pe când 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.

Cu cât un metal are rezistenţa electrică specifică mai mică, cu atât conduce mai bine curentul electric. Cea mai mare conductibilitate electrică o au argintul (0,98 Ω^-1·cm^-1), cuprul (0,593 Ω^-1·cm^-1), aurul (0,42 Ω^-1·cm^-1) şi aluminiul (0,38 Ω^-1·cm^-1) şi cea mai mică o au plumbul (0,046 Ω^-1·cm^-1) şi mercurul (0,011 Ω^-1·cm^-1). Aşa se explică de ce conductoarele electrice (sârmele) se fac din cupru sau aluminiu.

6)Conductibilitatea termică specifică, adică conductivitatea termică, se datorează de asemenea mişcărilor electronilor în banda de valenţă. Ea 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·grd^-1.

Dintre metale, cea mai mare conductivitate termică au argintul (4,1 J·cm^-1·s^-1·grd^-1), cuprul (3,9 J·cm^-1·s^-1·grd^-1), aurul (3 J·cm^-1·s^-1·grd^-1) şi aluminiul (2,1 J·cm^-1·s^-1·grd^-1); cea mai slabă conductivitate termică au plumbul (0,13 J·cm^-1·s^-1·grd^-1) şi mercurul (0,08 J·cm^-1·s^-1·grd^-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.

     Proprietăţi mecanice

Datorită stării metalice, metalele se caracterizează prin proprietăţi de plasticitate, maleabilitate, ductilitate, tenacitate etc., care au deosebită importanţă practică.

1)Plasticitatea este proprietatea metalelor (şi aliajelor) de a se deforma permanent când sunt supuse unei tensiuni exercitate din exterior. Deformarea plastică nu dispare cu cauza care a produs-o.

Se consideră că deformările plastice produse la metale în stare compactă cauzează o translaţie în reţeaua cristalină de-a lungul unor planuri reticulare. Trebuie observat că şi în reţelele ionice, forţele de legătură nu sunt dirijate. În cursul translaţiei, însă, simetria repartizării sarcinilor este puternic perturbată, iar forţele de respingere rezultate sunt atât de puternice încât pot conduce la scindarea cristalului.

Plasticitatea influenţează maleabilitatea şi ductilitatea.

2)Maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras în foi prin comprimare la o temperatură inferioară punctului de topire. Sub acţiunea forţelor exterioare, cristalele metalelor se deformează după anumite planuri de reticulare.

Maleabilitate 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 până la o anumită temperatură, după care scade şi metalele devin casante. Creşterea maleabilităţii cu temperatura se datorează slăbirii coeziunii dintre cristale, iar scăderea ei este cauzată de formarea unor pelicule de oxid între cristale.

Există şi alţi factori care influenţează maleabilitatea cristalelor.

3)Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras în fire; ea depinde de plasticitate şi de maleabilitate.

4)Tenacitatea este proprietatea unui metal de a cuprinde o energie mare de deformare plastică. Metalele care au tenacitate mare sunt rezistente, pe când cele cu tenacitate mică sunt casante.

     Proprietăţi chimice

Metalele au caracter electropozitiv, deoarece atomii lor au tendinţa să cedeze electronii din straturile electronice exterioare şi astfel trec în ioni cu sarcină pozitivă. Prin faptul că cedează electroni, metalele sunt reducători.

Prin aşezarea metalelor după ordinea crescândă a potenţialelor de oxidare standard, se obţine seria potenţialelor electrochimice sau seria tensiunilor metalelor.

                          Nu se găsesc în stare nativă                               Rareori în stare                 Deseori       În stare

nativă                         în  stare        nativă

                                    nativă        

          Înlocuiesc hidrogenul                  Înlocuiesc hidrogenul                                             Atacate       Nu sunt

                     din apă                               din apă la cald şi din                                              de acizii       atacate

                                                     acizi diluaţi                                                      oxidaţi        de acizi

             Se oxidează în aer                             Se oxidează în aer la cald                           Se oxidează     Nu se        

                      la rece                                                                                                              în aer la      oxidează

 încălzire       în aer    

puternică

Scăderea caracterului electropozitiv

Creşterea tendinţei cationilor de a accepta electroni

Cu cât metalul este aşezat mai mult la începutul seriei, cu atât cedează mai uşor electroni de valenţă trecând la ioni, adică este mai activ; acceptarea electronilor de către ioni, adică refacerea atomilor din ioni, este cu atât mai accentuată cu cât metalul se găseşte aşezat mai la sfârşitul seriei.

Combinarea metalelor cu oxigenul se face cu atât mai energic cu cât metalul este aşezat mai la începutul seriei. Astfel potasiul, calciul, sodiul, se oxidează direct în aer, la temperatura obişnuită; metalele de la magneziu până la plumb se oxidează în aer la încălzire; 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 cât oxidarea se face mai energic, cu atât oxidul rezultat este mai stabil şi deci mai greu redus de hidrogen. De exemplu, pe când 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 însă la metale, când au mai mulţi oxizi, cel puţin un oxid este bazic.

După aşezarea metalelor în serie faţă de hidrogen rezultă comportarea lor diferită. Metalele aşezate înaintea hidrogenului îl pot înlocui în combinaţii, deoarece atomii lor cedează electroni mai uşor decât atomii de hidrogen; cu cât metalul este aşezat mai departe de hidrogen, cu atât îl înlocuieşte cu mai multă energie. Astfel, potasiul şi sodiul înlocuiesc energic hidrogenul din apă chiar la temperatura obişnuită; magneziul reacţionează cu apa la fierbere; fierul descompune vaporii de apă la incandescenţă. Metalele aşezate în serie după hidrogen nu-l înlocuiesc, deoarece atomii lor cedează mai greu electronii decât 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. Pe când metalele de la începutul seriei până la hidrogen reacţionează cu acizii diluaţi, punând hidrogenul în libertate, metalele de la cupru până la argint sunt atacate numai de acidul azotic şi de acidul sulfuric concentrat (acizi oxidanţi), iar platina şi aurul nu sunt atacate de nici un acid.

Cu halogenii, metalele se combină direct formând halogenuri, energia de combinare fiind cea mai accentuată la metalele alcaline. Astfel, potasiul reacţionează violent cu clorul, producând explozie; platina şi aurul nu sunt clorurate decât de apa regală.

Toate metalele, cu excepţia aurului, se combină cu sulful formând sulfuri; metalele alcaline reacţionează la cald energic cu sulful, pe când platina nu reacţionează decât în stare fin divizată (pulbere). În general, cu cât metalele se găsesc în stare de diviziune mai fină, cu atât combinarea lor cu sulful este favorizată.

Când sărurile metalice sunt dizolvate în apă, prin disociere electrolitică metalul are rol de cation. De exemplu, la disocierea clorurii de sodiu, sodiul are rolul de cation, iar clorul, de anion (Na⁺, Cl^-). De aceea, metalele se mai definesc drept elemente care formează cationi simpli, când combinaţiile acestor elemente sunt dizolvate în apă.

 Obţinerea metalelor

În natură, metalele se găsesc în pământ, însă numai puţine în stare liberă, adică în stare nativă. Acestea sunt metalele cele mai puţin active: aurul, platina, argintul şi mercurul. Toate celelalte metale se găsesc în stare combinată, sub formă de oxizi, sulfuri, sulfaţi, carbonaţi, cloruri, silicaţi etc. Combinaţiile metalelor existente în natură mai mult sau mai puţin pură se numesc minerale.

Dintre oxizi, mai importanţi sunt: Fe₂O₃—hematitul; Fe₃O₄— magnetitul; 2Fe₂O₃·3H₂O—limonitul; Al₂O₃·2H₂O—bauxita; SnO₂—casiteritul; MnO₂—piroluzit; FeO·Cr₂O₃cromitul.

Dintre sulfuri, mai importanţi sunt: PbS—galena; ZnS—blenda; FeS₂—pirita; CuS·FeS—calcopirita; FeAsS—mispichelul; HgS—cinabrul; Ag₂S—argentitul; Sb₂S₃—stibina.

Dintre carbonaţi, mai importanţi sunt: FeCO₃—sideroza; CuCO₃·Cu(OH)₂—malahitul; MgCO₃—magnezitul; BaCO₃—witeritul.

Când mineralele conţin o cantitate suficient de mare de metale (sau

nemetale), încât extragerea lor să fie convenabilă din punct de vedere tehnico-economic, ele se numesc minereuri. De exemplu, minereul de fier trebuie să conţină cel puţin 30% Fe, fie în oxizi, fie în carbonaţi; minereul de cupru trebuie să conţină cel puţin 2% Cu, în sulfuri sau oxizi.

Uneori minereurile conţin mai multe metale a căror extracţie este convenabilă. Asemenea minereuri se numesc polimetalice (de exemplu minereul de fier şi vanadiu sau minereul de argint şi plumb). Există şi minereuri care, pe lângă metalul principal, conţin şi nemetale, de obicei sub formă de combinaţii a căror extracţie prezintă interes industrial. Asemenea minereuri se numesc minereuri complexe (de exemplu minereul de fier cu fosfor).

Procedeele de obţinere a unui metal din minereu constituie metalurgia metalului respectiv. Ea cuprinde operaţiile de îmbogăţire a minereului, de exemplu a metalelor din minereu, cum şi de purificare a metalelor obţinute în stare brută (rafinare).

Pentru a vedea tot referatul

CLICK AICI