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www.eltemari.com Oposiciones Secundaria – Física y Química© Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 46

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TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA(Oposiciones de Enseñanza Secundaria)

-------------------------------------------------------------------------------TEMA 46

METALES. CARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES GRUPOS. OB-TENCIÓN Y PROPIEDADES. COMPUESTOS QUE ORIGINAN Y APLICACIO-NES. ALEACIONES. INTERÉS ECONÓMICO DE ALGUNAS DE ELLAS.

Esquema

1. Metales representativos.1.1. Ubicación en el sistema periódico.1.2. Propiedades generales de los metales.

2. Metales Alcalinos. Grupo 1a.2.1. Propiedades metálicas.2.2. Propiedades reductoras.2.3. Estado natural.2.4. Obtención por electrolisis.2.5. Aplicaciones de los metales alcalinos y sus compuestos.

3. Metales alcalino-térreos. Grupo 2a.3.1. Propiedades físicas.3.2. Propiedades químicas.3.3. Estado natural.3.4. Obtención por electrolisis.3.5. Aplicaciones de los metales alcalino-térreos y sus compuestos.

4. Metales del Grupo 3a.4.1. Propiedades físicas y químicas del grupo.4.2. Obtención del Aluminio. Propiedades y aplicaciones.4.3. Características del Galio, Indio y Talio.

5. Metales del grupo 4a5.1. Obtención. Propiedades y aplicaciones.

5.1.1. Germanio.5.1.2. Estaño.5.1.3. Plomo.

6. Metales del grupo 5a.6.1. Antimonio y Bismuto.

7. Metales del grupo 6a.7.1. Selenio, Teluro y Polonio.

8. Metales de transición.8.1. Características de los metales más importantes

9. Aleaciones.9.1. Tipos de aleaciones. Metalografía.9.2. Propiedades de las aleaciones.9.3. Aleaciones especiales de Hierro. (Aceros).9.4. Aleaciones especiales de Níquel y Cobalto.


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TEMA 46

METALES. CARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES GRUPOS. OB-TENCIÓN Y PROPIEDADES. COMPUESTOS QUE ORIGINAN Y APLICACIO-NES. ALEACIONES. INTERÉS ECONÓMICO DE ALGUNAS DE ELLAS.

1. METALES REPRESENTATIVOS

1.1. Ubicación en el Sistema Periódico.

En el presente tema vamos a estudiar los metales del Sistema Periódico, que clasi-ficaremos inicialmente en Metales Representativos y Metales de Transición y de Tran-sición Interna.

Se entiende por Metales Representativos, aquellos elementos que pertenecen a losgrupos a del sistema periódico (grupos largos) y que poseen electrones de valencia ensus orbitales s y p más externos. El carácter metálico aumenta de arriba a abajo en cadagrupo y de derecha a izquierda en cada periodo. Todos los elementos de los grupos 1a y2a son metales, los elementos inferiores de los grupos 3a, 4a y 5a se denominan metalesde postrans ición.

1.2. Propiedades generales de los metales.

Los metales representativos poseerán en mayor o menor medida las propiedadesgenerales de los metales. Dentro de estas propiedades podemos hacer una diferenciaciónentre propiedades físicas y químicas.

Entre de las propiedades físicas destacamos:

- Ductilidad que es la capacidad que poseen para ser estirados en hilos, y malea-bilidad que es la plasticidad a ser laminados o reducidos a láminas muy finasllamadas panes.

- La resistencia y dureza tienen valores muy bajos en ciertos metales representati-vos.

- Todos los metales poseen una alta conductividad calorífica y eléctrica.- Producen fenómenos de emisión, tanto fotoeléctrica cuando incide sobre ellos

una radiación como termoiónica cuando son calentados.- Poseen propiedades ópticas que les dan su característico brillo metálico, así co-

mo la capacidad de producir espectros de emisión y absorción.

En cuanto a las propiedades químicas de los metales podemos citar:

- Facilidad en la formación de cationes.- Su gran carácter básico que aumenta de derecha a izquierda en el S.P..- Como consecuencia de la tendencia a ceder electrones poseen un carácter re-

ductor.- Pueden ser atacados por los ácidos.


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SISTEMA PERIÓDICO

Elementos representativos Elementos representativos

1a 2a 3ª 4a 5a 6ª 7ª 8 1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 0

I 1H

1H

2He

II 3LI

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

III 11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

IV 19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

31Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

V 37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

VI 55Cs

56Ba

57La*

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

VII 87Fr

88Ra

89Ac#

104Ku

105Ha

←CARÁCTER METÄLICO

* Lantánidos 58Ce

59Pr

60Nd

61Pm

62Sm

63Eu

64Gd

65Tb

66Dy

67Ho

68Er

69Tm

70Yb

71Lu

# Actínidos90Th

91Pa

92U

93Np

94Pu

95Am

96Cm

97Bk

98Cf

99Es

100Fm

101Md

102No

103Lw

2. METALES ALCALINOS. GRUPO 1a.

2.1. Propiedades metálicas.

Los elementos de este grupo 1a son: Litio (Li, Z=3); Sodio (Na, Z=11); Potasio(K, Z=19); Rubidio (Rb, Z=37); Cesio (Cs, Z=55) y Francio (Fr, Z=87). Se les denomi-na metales alcalinos, del árabe alcalí, que significa cenizas vegetales, ya que éstas sonricas en carbonato sódico y potásico.

TABLA 1. Grupo de AlcalinosPotencial de Ionización

(en eV)Elemento NúmeroAtómico

Configurac.Electrónica

Primario Secundario

RadioIónico

(Å)Litio 3 (2)2s1 5’39 75’6 0’68Sodio 11 (10)3s1 5’14 47’3 0’97Potasio 19 (18)4s1 4’34 31’8 1’33Rubidio 37 (36)5s1 4’18 27’5 1’47Cesio 55 (54)6s1 3’89 25’1 1’67Francio 87 (86)7s1 ------ ------ (1’67)

En las tablas 1 y 2 se muestran las propiedades de los metales alcalinos que, conexcepción del Litio, todos son metales blandos, corrosivos, plateados y pueden cortarsecon un cuchillo. El Litio es el más duro. El Cesio es ligeramente dorado y funde a latemperatura del cuerpo humano al tomarlo en las manos. Los puntos de fusión y ebulli-ción más o menos bajos se deben a las fuerzas de enlace tan débiles que poseen, ya quecada átomo contribuye con un solo electrón al enlace metálico. Los electrones externosestán tan débilmente retenidos que los metales son excelentes conductores eléctricos ytérmicos. Presentan además efecto fotoeléctrico con radiación de baja energía, es decir


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se ionizan al ser irradiados con luz. Estos efectos aumentan al aumentar el Radio atómi-co, y por ello el Cesio suele ser el más utilizado en células fotoeléctricas.

TABLA 2. Grupo de Alcalinos.

ElementoPotencialOxidación(Voltios)

Densidad(g/cm3)

Punto deFusión (ºC)

Punto deEbullición

(ºC)Litio +3’05 0’53 186 1336Sodio +2’71 0’97 97’5 880Potasio +2’93 0’86 62’3 760Rubidio +2’93 1’53 38’5 700Cesio +2’92 1’87 28’5 670

2.2. Propiedades reductoras.

Las energías de ionización indican que el único electrón de la capa externa se eli-mina con facilidad. El Cesio y el Francio son los elementos más electropositivos delgrupo. Las energías correspondientes a la segunda ionización son muy elevadas lo queindica la gran dificultad de arrancar un segundo electrón.

El poder reductor se mide por el Potencial de oxidación, que mide la tendencia deuna sustancia a actuar como agente reductor. En los metales alcalinos viene dado por laecuación: M (s) → M+ + e−

Los altos valores del potencial de oxidación indican que son todos excelentes re-ductores y que el Litio es el mejor del grupo.

Los potenciales de ionización indican que el Litio es el que con más fuerza sujetaal electrón de valencia, mientras que los potenciales de oxidación (el potencial de re-ducción sería el mismo pero con signo opuesto), señalan que este metal cede dichoelectrón con mayor facilidad que los demás. La anomalía se resuelve diciendo que elpotencial de ionización es una cualidad del átomo aislado, mientras que el de reducciónestá relacionado con el metal cuando se encuentra en disolución. El efecto estabilizadordel agua sobre el ion lítico hace que la reacción:

Li (s) → Li+ + e−

se produzca mas fácilmente que las reacciones análogas de los demás elementos.

La gran capacidad de reacción de estos metales plantea problemas para su manejo.Así el agua, a pesar de ser un oxidante relativamente débil, tiene gran tendencia a ata-carlos. El sodio, por ejemplo, se oxida con la humedad atmosférica. Por esto los metalesalcalinos se suelen conservar en petróleo o en otros hidrocarburos inertes.

2.3. Estado natural.

Los metales alcalinos se presentan en la naturaleza formando exclusivamente io-nes +1. El Sodio y el Potasio son los más abundantes y ocupan los lugares sexto y sép-timo entre los elementos de la corteza terrestre. El Litio es relativamente escaso, pero sehalla en pequeñas cantidades en la casi totalidad de las rocas. El Rubidio y el Cesio sonraros y el Francio no existe prácticamente en estado natural por ser su núcleo inestable yradiactivo. El Francio se han obtenido por medio de reacciones nucleares.


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La mayoría de los compuestos de los metales alcalinos son solubles en el agua, ypor eso se encuentran en el mar y en las salinas. Como resultado de la evaporación deantiguos mares, existen también depósitos salinos que constituyen fuentes de obtenciónde metales alcalinos y de sus compuestos.

Los iones sódico y potásico son constituyentes indispensables de los tejidos vivos.El Sodio es el catión principal en los fluidos orgánicos extracelulares, mientras que elPotasio lo es en el interior de las células.

Puede afirmarse con carácter general que los metales alcalinos no aparecen en es-tado libre en la Naturaleza ya que se oxidan con facilidad.

2.4. Obtención por electrolisis.

En la práctica, los metales alcalinos suelen prepararse por electrolisis de com-puestos alcalinos fundidos. El Sodio, por ejemplo, se obtiene comercialmente mediantela electrolisis de una mezcla fundida de cloruro sódico y cloruro cálcico, a unos 600ºC.El Sodio se separa depositándose sobre un cátodo de hierro o cobre, y el Cloro se separacon un ánodo de carbono. Para evitar que el Cloro oxide al Sodio se deben separar loscompartimentos catódicos con un tabique de tela metálica.

2.5. Aplicaciones de los metales alcalinos y sus compuestos.

Lo costoso y difícil que resulta trabajar con los metales alcalinos se compensaparcialmente por su excelente conductividad calorífica. Así por ejemplo, para resolveren ingeniería el complicado problema de conducir la energía calorífica desde el centrode un reactor nuclear hasta el exterior, se utiliza un metal alcalino fundido.

El Cesio es el metal que más fácilmente desprende electrones por acción de la luz.Esta emisión fotoinducida de electrones se llama efecto fotoeléctrico, y es la causa deque el Cesio se utilice en la célula fotoeléctrica, dispositivo encargado de transformaruna señal luminosa en otra eléctrica.

Aunque todos los metales alcalinos son excelentes reductores, sólo el Sodio seutiliza extensivamente con esta finalidad. Se emplea para obtener otros metales redu-ciendo sus cloruros, así como para preparar diferentes compuestos de carbono.

Los elementos alcalinos forman fácilmente compuestos al reaccionar con otrassustancias. El agua ataca vigorosamente a todos los alcalinos, con desprendimiento dehidrógeno: 2M (s) + 2H2O → 2M+ + 2OH− + H2 (g)resulta, pues, que en la práctica el problema no es conseguir que estos elementos secombinen, sino evitar que lo hagan.

Todas las combinaciones alcalinas son iónicas, y la mayoría de los compuestosson solubles en agua, y de aquí que cuando se quiere obtener un anión determinado ensolución baste obtener su sal sódica.

Los hidruros de los metales alcalinos son sólidos blancos que se preparan calen-tando el metal en atmósfera de hidrógeno. Los óxidos (M2O) no se forman con facili-dad, son todos básicos, y reaccionan con el agua dando hidróxidos.


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Como compuestos importantes podemos señalar el hidróxido sódico (NaOH) lla-mado sosa cáustica, que se prepara por electrolisis del cloruro sódico. El carbonato só-dico, llamado sosa de lavar" (Na2CO3) y el carbonato ácido sodio, denominado bicar-bonato sódico" (NaHCO3).

3. METALES ALCALINO-TÉRREOS. GRUPO 2a

El grupo 2a está integrado por los elementos: Berilio (Be, Z=4), Magnesio (Mg,Z=12), Calcio (Ca, Z=20), Estroncio (Sr, Z=38), Bario (Ba, Z=56) y Radio (Ra Z=88).Poseen un estado de oxidaci6n de +2, y claras propiedades metálicas.

3.1. Propiedades físicas.

En la tabla 3 aparecen algunas propiedades físicas de los metales alcalino-térreosen estado sólido:

TABLA 3. Grupo de Alcalino-Térreos.

ElementoPotencialOxidación(Voltios)

Densidad(g/cm3)

Punto deFusión (ºC)

Punto deEbullición

(ºC)Berilio +1’85 1’86 1280 1500 (?)Magnesio +2’37 1’74 650 1100Calcio +2’87 1’55 810 1300 (?)Estroncio +2’89 2’60 800 1300 (?)Bario +2’90 3’60 850 1500 (?)Radio +2’92 5 (?) 960 (?) 1100 (?)

En dicho estado sólido poseen propiedades metálicas típicas, o sea, intenso brillo,buena conductividad térmica y eléctrica, puntos de fusión y ebullición bastante eleva-dos, son más duros que los metales alcalinos aunque todavía se pueden cortar con uncuchillo.

3.2. Propiedades químicas.

Los potenciales de oxidación de la tabla 3, son relativamente elevarlos. Corres-ponden a la reacción: M (s) → M+2 + 2e−

e indican que en disolución acuosa son buenos reductores.

Como vemos en la tabla 4, poseen dos electrones en la capa más externa, y el ta-maño del átomo aumenta desde el Berilio hasta el Radio.

El potencial de ionización disminuye al crecer el tamaño del átomo, sin que se ha-ya podido explicar la anomalía que presenta el Radio. El potencial de segunda ioniza-ción representa la energía que hace falta para arrancar un electrón del ion +1 y originarel ion +2. Como este electrón se arrebata a un ion positivo, el potencial será mayor. Lomismo ocurre con el potencial de ionización terciario. Los iones +3 no existen en lanaturaleza ya que necesitan energías muy elevadas. En la práctica sólo se presentan losiones +2, lo que habría que justificar, ya que el potencial de la segunda ionización escasi el doble que el de la primera.


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TABLA 4. Grupo de Alcalino-térreos.Potencial de Ionización

(en eV)Elemento NúmeroAtómico

Configurac.Electrónica

Primario Secundario Terciario

RadioIónico

(Å)Berilio 4 (2)2s2 9’32 18’2 153’8 0’35Magnesio 12 (10)3s2 7’64 15’0 80’1 0’66Calcio 20 (18)4s2 6’11 11’9 51’2 0’99Estroncio 38 (36)5s2 5’69 11’0 (43) 1’12Bario 56 (54)6s2 5’21 10’0 (36) 1’34Radio 88 (86)7s2 5’28 10’1 ------ 1’43

Esto se justifica porque en disolución acuosa los iones alcalino-térreos +1 sufrenreacciones de desproporcionación, como la siguiente:

2Ca+ (aq) → Ca (s) + Ca+2 (aq) E0=5’6 V

El elevado valor positivo del potencial en esa reacción indica que los iones Ca+

(aq) tienen una gran tendencia a oxidarse y reducirse entre ellos mismos.

Casi todos los compuestos de los metales 2a son iónicos, excepto los del Berilioque tienen un marcado carácter covalente. Esto se debe a la gran densidad de carga delion Be+2. Su carga de +2 está repartida en un volumen muy pequeño, lo que provoca ungran poder polarizante.

Cualquier elemento del grupo 2a tiene menor radio iónico que los del grupo 1a.Por ejemplo el ion Mg+2 tiene mayor carga nuclear que el Na+, siendo dos cationesisoeléctricos (igual número de electrones), por lo que el núcleo del Mg+2 atraerá conmás fuerza a sus electrones, determinando un menor radio iónico.

3.3. Estado natural.

Los elementos alcalino-térreos se encuentran en la naturaleza en forma de ion +2,que se combina con iones -2 originando compuestos que a veces serán insolubles, for-mando depósitos de silicatos, carbonatos, sulfatos y fosfatos.

El único mineral importante de berilio es un silicato del que se han encontradohermosos cristales: la esmeralda, piedra preciosa, es un berilo con indicios de cromo. ElMagnesio ocupa el octavo lugar por su abundancia entre los elementos de la cortezaterrestre, y se encuentra en el agua del mar, pozos salinos, en la magnesita y dolomita(MgCO3 y MgCO3⋅CaCO3).

El Calcio es el más abundante de los elementos de los grupos I y II del sistema pe-riódico. El carbonato cálcico (CaCO3) se presenta formando diversos minerales comocaliza, mármol y creta. También es muy común el yeso (CaSO3.2H2O) y el fosfato tri-cálcico (Ca3(PO4)2) como ingrediente de huesos y dientes así como en conchas marinas.

El Estroncio es raro, y el Bario poco más abundante. Los minerales que princi-palmente los contienen son la estroncita y la baritina. El Radio es escasísimo pero supresencia se detecta enseguida debido a la radiactividad. Su núcleo se desintegra de mo-do espontáneo, y a su vez procede de la desintegración de otros elementos.


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3.4. Obtención por electrolisis.

Puesto que los metales alcalino-térreos se presentan como iones de carga +2, parapreparar el metal habrá que reducir los iones. Este proceso puede realizarse por electro-lisis o con un agente químico reductor.

La electrolisis se realiza a los halogenuros o hidróxidos fundidos. Por ejemplo, enla extracción del Magnesio, éste se precipita en forma de hidróxido (Mg(OH)2), se hacereaccionar con ácido clorhídrico para convertirlo en cloruro (MgC12), el cual será so-metido a electrolisis a unos 700°C. El metal se obtiene con un 99'9% de pureza.

3.5. Aplicaciones de los metales alcalino-térreos y sus compuestos.

El Calcio y sus componentes son muy utilizados en el comercio. El elemento sirvede agente reductor en la metalurgia del uranio, torio, etc., o como "basurero" para elimi-nar impurezas de otros metales, y para eliminar gases residuales en líneas de vacío.Forma parte de muchas aleaciones. La escayola se forma calentando el yeso lentamentey con cuidado.

Debido a lo extendido que está la caliza, casi todas las aguas subterráneas contie-nen cantidades pequeñas de ion calcio, lo cual es muy significativo y de gran importan-cia. La presencia de este ion Ca+2, así como la de Mg+2 o Fe+2, constituye un inconve-niente, ya que cuando estas aguas se hierven o se les añade jabón se forman precipitadosinsolubles. El agua que así se comporta se dice que es dura, y representa un problemaindustrial y doméstico.

El Magnesio metálico arde en el aire con una luz blanca brillante, lo que se em-plea en flashes fotográficos, pirotecnia y bombas incendiarias. Es muy ligero por lo quese utiliza en muchas aleaciones estructurales, disminuyendo el peso de las estructurasdonde su utiliza, como aviones, equipo ferroviario y utensilios domésticos. La magnesia(MgO) es un excelente aislante utilizado en aislantes de hornos y crisoles. La lechada demagnesio (Mg(OH)2) se utiliza como antiácido estomacal y como laxante.

El Berilio es demasiado escaso y caro para su uso a gran escala, pero tiene granimportancia para añadirlo en cantidades minúsculas en otros metales para endurecerlos.

Las sales de Estroncio se utilizan en pirotecnia, ya que producen un color rojo ca-racterístico. El metal no tiene usos prácticos. El Bario se utiliza en piedras de mechero ycomo desgasificante en tubos de vacío. El sulfato de Bario (BaSO4) se utiliza para recu-brir el conducto gastrointestinal al radiografiarlo con rayos X. El sulfato de Bario es taninsoluble que no es venenoso, pero todas las sales solubles de Bario son tóxicas.

4. METALES DEL GRUPO 3a

4.1. Propiedades físicas y químicas del grupo.

Los elementos que forman el grupo 3a son: Boro, (B, Z=5), Aluminio, (Al, Z=13),Galio, (Ga, Z=31), Indio, (In, Z=49) y Talio, (Tl, Z=81), cuyas propiedades se dan en latabla 5. Con excepción del boro que puede considerarse como semimetal, los demás


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muestran propiedades metálicas típicas. El carácter especial del boro se debe principal-mente al pequeño tamaño de sus átomos. Al igual que el Litio y el Berilio, posee tansólo una capa interior a los electrones de valencia.

TABLA 5. Grupo del Boro (Boroideos)Propiedad Boro Aluminio Galio Indio Talio

Electrones externos 2s22p1 3s23p1 4s24p1 5s25p1 6s26p1

Estado físico (25ºC y 1 Atm) Sólido Sólido Sólido Sólido SólidoPunto de Fusión (ºC) 2300 660 26’8 156’8 303’5Punto de Ebullición (ºC) 2550 2327 2403 2000 1457Densidad (g/cm3) 2’34 2’70 5’91 7’31 11’85Radio Atómico (Å) 0’88 1’43 1’22 1’62 1’71Radio Iónico M+3 (Å) (0’20) 0’50 0’62 0’81 0’95Electronegatividad 2’0 1’5 1’7 1’6 1’6Potencial Normal Reducción (V) -0’90 -1’66 -0’53 -0’34 (-0’34)Estados de oxidación: M+3(aq) + 3e− → M (s)

-3/+3 +3 +1,+3 +1,+3 +1,+3

Energías de Ionización (eV) M (g) →M+ (g) + e−

M+ (g) → M+2 (g) + e−

M+2 (g) → M+3 (g) + e−

8’3323’9837’75

5’9618’7528’32

5’9720’4330’60

5’7618’7927’90

6’0720’3229’71

Calor hidratación de ion gaseoso(Kcal/mol): M+3(g) →M+3(aq) ----- 1135 1124 994 984

Los radios atómicos no aumentan con regularidad. La interposición de elementosde transición entre el Calcio y el Galio, el Estroncio y el Indio, y el Bario y el Talio, asícomo los lantánidos en este último caso, hace que los radios del Galio, Indio y Taliosean más pequeños que los que podrían predecirse a partir de los radios del Boro y delAluminio.

Todos los elementos tienen número de oxidación +3, y como tienen pequeño ta-maño, son muy polarizantes. La mayoría de los compuestos en el estado de oxidación+3 son covalentes. El Galio, Indio y Talio también pueden tener de número de oxida-ción +1.

4.2. Obtención del aluminio: propiedades y aplicaciones.

Aunque el aluminio es el metal más abundante en la Naturaleza, su importancia seve reducida en parte por las dificultades que encierra su obtención. Se encuentra, sobretodo, en forma de silicatos que son prácticamente inaprovechables, pero existen yaci-mientos de bauxita (Al2O3.xH2O) del que se puede obtener el aluminio puro por reduc-ción electrolítica. Antes de llevar a cabo esta reducción, es preciso separar del mineralbruto las impurezas de hierro y silicio.

La producción de aluminio metálico a partir de la bauxita purificada se realiza porel proceso Hall-Héroult. Se disuelve la bauxita en una mezcla de fluoruros, y se sometea electrolisis a una temperatura de 1000°C, utilizando una cuba cuyo esquema sería elrepresentado en la fig.1. El ánodo consta de barras de grafito (carbono) que se sumergenen el fundido, mientras que el cátodo es una capa de grafito que recubre interiormente la


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cuba. Las reacciones electródicas son muy complicadas y sólo se conocen imperfecta-mente.

En el cátodo obtenemos el aluminio líquido, yen el ánodo se forma oxígeno, flúor, y varios com-puestos carbonados. El ánodo de grafito se gasta,por lo que hay que renovarlo. La adición continuadade bauxita y la extracción del aluminio líquido,permiten que la operación proceda de modo ininte-rrumpido.

Propiedades y Aplicaciones. El aluminio puroes blando y poco resistente, pero se torna muy tenaz FIG. 1

aleado con otros metales. Su densidad es escasa (2'7 gr/cm3) y por ello se utiliza en nu-merosas aplicaciones como material estructural. Aunque activo químicamente, resiste ala corrosión por formar una capa autoprotectora de óxido. Es también buen conductordel calor y la electricidad, y de ahí que se utilice en utensilios de cocina y equipos eléc-tricos.

Sin ser tan activo como los metales de los grupos 1 y 2, es un excelente reductor,como prueba su potencial de oxidación:

Al(s) → Al+3 + 3e− E0= +1’66 V

Según indica su elevado potencial de oxidación, el aluminio debe reducir al aguapero la reacción es demasiado lenta para ponerse en evidencia, quizá por la capa de óxi-do que protege el metal.

Cuando el aluminio arde en el aire para formar el óxido de aluminio se desprendegran cantidad de calor:

2Al (s) + 23

O2 (g) → Al2O3 (s) ∆H0=−399 Kcal

La reducción del óxido de hierro para obtener hierro se puede realizar conjunta-mente con la anterior, aportando esta última la energía necesaria para la obtención delhierro: 2Al (s) + Fe2O3 (s) → 2Fe (s) + Al2O3 (s) ∆H0=−202 Kcal

reacción que se conoce como la reacción de la termita, con aplicaciones en soldaduras yen bombas debido a la alta temperatura que se alcanza.

4.3. Características del Galio, Indio y Talio.

El Galio es un metal blando y tiene un punto de fusión muy bajo (28°C) y el lí-quido hierve a 2000°C, por lo que su fase líquida es la más amplia entre todas las sus-tancias. La química del Galio es muy parecida a la del Aluminio. Usualmente se observaen estado de oxidación +3, y hay indicios de este metal en todas las minas alumínicas.

El Indio es muy raro y su principal fuente la constituyen las impurezas de los mi-nerales de Zinc y Plomo. Puede adquirir intenso pulimento, por lo que se utiliza pararecubrir espejos destinados a usos especiales. Es muy blando, no reacciona fácilmente nilo corroe el aire húmedo. Sus compuestos son principalmente del ion +3, aunque se hanpreparado el mono y bicloruro.


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El Talio es de una abundancia parecida al Indio, y también se obtiene como sub-producto en la purificación de otros metales como el Plomo y Cadmio. Es muy blando yse oxida con el aire, por lo que hay que guardarlo bajo petróleo. Forma dos clases decompuestos: taliosos (+1) y tálicos (+3). Como pasa con numerosos metales pesados, elTalio y sus productos son tóxicos, por lo que se utilizan como raticidas.

5. METALES DEL GRUPO 4ª

5.1. Obtención. Propiedades y Aplicaciones.

5.1.1. Germanio.

Es el elemento más escaso de su grupo y se encuentra sobre todo en minerales deZinc. Se puede preparar reduciendo el bióxido (GeO2) con carbono o hidrógeno.

Recientemente este metal ha adquirido importancia industrial por las cualidadesque posee cuando se halla ligeramente impurificado o dopado. Tiene la misma estructu-ra diamantina que el silicio y es un semiconductor, pero esta conductividad se hace mu-cho mayor incorporando a su retículo pequeñas cantidades de algún elemento del grupo3 o 5. Juntando dos cristales de Germanio impurificados, uno por un elemento del grupo3, y otro por un elemento del grupo 5, se obtiene un dispositivo en el que la corrienteeléctrica pasa más fácilmente en un sentido que en el opuesto, por lo cual sirve paraconvertir en continua una corriente alterna. Dos pares como los citados constituyen untransistor, que funciona como una válvula de vacío de los receptores de radio para laamplificación de las señales eléctricas.

5.1.2. Estaño.

La principal materia prima del Estaño es la casiterita (SnO2), de la que se extrae elelemento por reducción con carbono.

Aunque suele considerarse como metal, tiene también una forma no metálica, elestaño gris, estable por debajo de 13°C. El Estaño ordinario o estaño blanco, es un metalbastante inerte que resiste a la corrosión por recubrirse de una capa de óxido. Debido aesto se utiliza como recubrimiento protector para el acero, sobre todo en la fabricaciónde envases de hojalata. El recubrimiento se realiza sumergiendo el acero en estado fun-dido, o bien electrolíticamente colocándolo como cátodo en un baño de sales de Estañodisueltas. El acero recubierto de Estaño no se corroe en tanto la lámina protectora per-manece intacta; en cuanto ésta sufre la menor perforación, la presencia del Estaño sirvepara acelerar la reacción de corrosión del acero.

En cuanto a su estado de oxidación se conocen dos series: estannosos (+2) y es-tánnicos (+4).

5.1.3. Plomo.

Los elementos presentan la tendencia general de que su carácter metálico aumentaa medida que se hallan situados más abajo en el sistema periódico. El Plomo debe serpor tanto el más metálico de su grupo. Como el Estaño presenta los estados de oxida-


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ción +2 y +4, aunque este último es difícil de lograr. El Plomo se presenta sobre todocomo mineral galena (PbS), del que se extrae el metal siguiendo varios métodos. Unode ellos consiste en tostar el sulfuro en aire hasta convertirlo en óxido. A continuación,éste se reduce con carbono en un horno alto de pequeño tamaño:

2PbS (s) +3O2 (g) → 2PbO (s) + 2SO2 (g)

2PbO (s) + C (s) → 2Pb (l) + CO2 (g)

El otro procedimiento consiste en oxidar la galena parcialmente en el aire, obte-niendo un producto que es la mezcla de óxido de Plomo, sulfito y sulfato de Plomo. Lamezcla se funde en ausencia de aire para que el sulfuro reduzca al óxido y al sulfato alestado de Plomo:

PbS (s) +2PbO (g) → 3Pb (l) + SO2 (g)PbS (s) + PbSO4 (s) → 2Pb (l) + 2SO2 (g)

El Plomo bruto contiene a veces impurezas como antimonio, cobre y plata. Si senecesita un Plomo muy puro, se puede refinar electrolíticamente. El Plomo puro es unmetal blando y fácil de fundir. Cuando está recién cortado muestra brillo argentino, quese apaga rápidamente en contacto con el aire. La pátina así originada se debe a la for-mación de un recubrimiento superficial de óxidos y carbonatos.

Las aplicaciones principales del Plomo son: fabricación de los acumuladoreseléctricos (generadores de corriente continua), corazas protectoras frente a los rayos X,aleaciones especiales para soldadura, etc. Se usa como aditivo antidetonante en las ga-solinas, en forma de Plomo tetraetilado, aunque está siendo retirado del mercado.

Al igual que los elementos pesados restantes, el Plomo y sus compuestos son ve-nenosos. Se precisan grandes cantidades para que ejerza la acción tóxica, pero el peligrose intensifica debido a que tiende a acumularse en el cuerpo, concretamente en el siste-ma nervioso central. Su toxicidad se debe a que tanto éste como otros metales son po-tentes inhibidores de las reacciones enzimáticas.

Las propiedades generales de los elementos del grupo 4 se reflejan en la tabla 6.Vemos que existen grandes diferencias entre los puntos de fusión de los diferentes ele-mentos. Esto se debe a que el Carbono, Silicio e incluso el Germanio, forman enlacescovalentes, mientras que Estaño y Plomo son típicamente metálicos. Los puntos de fu-sión de los tres primeros son muy elevados y los de los dos últimos muy bajos.

TABLA 6. Grupo del Carbono (Carbonoideos).

Elemento Núm.Atóm.

Configurac.electrónica

PuntoFusión

(ºC)

PuntoEbullic.

(ºC)

PotencialIonización

(eV)

PotencialOxidación

(V)Carbono 6 (2)2s22p2 3500 4200 11’26 -0’20 (a CO2)Silicio 14 (10)3s23p2 1420 2400 8’15 +0’86 (a SiO 2)Germanio 32 (28)4s24p2 959 2700 8’13 +0’10 (a GeO2)Estaño 50 (46)5s25p2 232 2260 7’33 +0’14 (a Sn+2)Plomo 82 (78)6s26p2 327 1600 7’42 +0’13 (a Pb+2)


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Los únicos elementos metálicos del grupo 5a son los más inferiores del grupo, osea, el Antimonio y el Bismuto. Las propiedades generales de grupo están en la tabla 7.En este grupo se produce una variación completa de las propiedades no metálicas a me-tálicas, al recorrerlo de arriba abajo. Los primeros elementos son no metales típicos,mientras que los últimos, sobre todo el Bismuto, es un metal. El pronunciado cambio decomportamiento se debe sobre todo al aumento de tamaño de los átomos.

TABLA 7. Grupo del Nitrógeno (Nitrogenoideos).

Elemento Núm.Atóm.


PuntoFusión

(ºC)

PuntoEbullic.

(ºC)


(eV)

PotencialOxidación

(V)Nitrógeno 7 (2)2s22p3 -210’0 -195’8 14’56 -1’25 (a NO3

−)Fósforo 15 (10)3s23p3 44’1 280 11’05 +0’5 (a H3PO3)Arsénico 33 (28)4s24p3 Sublima Sublima 10’0 -0’23 (a As4O6)Antimonio 51 (46)5s25p3 631 1380 8’6 -0’21 (1)Bismuto 83 (78)6s26p3 271 1500 8’0 -0’32 (2)

(1) a Sb(OH)2+ (2) a Bi(OH)2

+

6.1. Antimonio y Bismuto.

El Antimonio es un elemento muy poco abundante. Se encuentra en forma con-centrada en el mineral estibina (Sb2S3). Su símbolo Sb procede de "stibium", nombrelatino del elemento. Para obtenerlo se calienta la estibina con chatarra de hierro:

Sb2S3 (s) + 3Fe (s) → 3FeS (s) + 2Sb

Existen varias formas alotrópicas del Antimonio: a la temperatura ordinaria esestable el Antimonio gris, mientras que el Antimonio amarillo es estable por debajo de−90°C. El llamado Antimonio explosivo se prepara por electrolisis del tricloruro (SbCl3),y es una sustancia negra que se transforma violentamente en la forma gris con sólo ras-parlo. El Antimonio ordinario, el gris, presenta aspecto metálico, pero sus propiedadesson apenas metálicas. Se utiliza sobre todo para alearlo con el Plomo y obtener aleacio-nes destinadas a placas de acumuladores y a granadas explosivas. El Antimonio formala Estibamina (SbH3), compuesto muy venenoso pero que se oxida fácilmente dando elmetal. Los estados de oxidación del Antimonio son ±3 y +5.

El Bismuto se encuentra en los minerales denominados: la Bismutina (Bi2S3) y elocre de Bismuto (Bi2O3) y como son muy raros en la naturaleza la mayor parte del Bis-muto comercial se obtienen como subproducto de la preparación del Plomo y de la refi-nación electrolítica del cobre. Su carácter metálico es muy poco acusado; se utiliza prin-cipalmente para elaborar aleaciones muy fusibles, como el metal de Wood (50 % deBismuto, 25 % de Plomo, 13 % de Estaño y 12 % de Cadmio). También se añade enpequeñas cantidades para endurecer las placas de Plomo destinadas a los acumuladores.

El Bismuto es un metal atípico: es bastante frágil y de una resistencia eléctrica al-ta. Además, el bismuto elemental presenta un fuerte diamagnetismo (es repelido por uncampo magnético). Este comportamiento nos indica que la nube electrónica del Bismutometálico difiere de la de los otros metales típicos y que el movimiento de los electronesestá restringido en su seno. Presenta estados de oxidación -3, +1 y +5.


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7.1. Selenio, Teluro y Polonio.

En el extremo derecho de la tabla periódica, los elementos tienen potenciales deionización típicamente elevados, al par que es difícil encontrar en ellos característicasmetálicas. No obstante, a medida que se desciende en el grupo, los electrones están me-nos sujetos, y de aquí que aparezca un esbozo de comportamiento metálico en los ele-mentos más pesados del grupo 6. Los estados de oxidación son principalmente +3 y +5.Los potenciales de ionización y otras propiedades del grupo, se dan en la tabla 8.

TABLA 8. Grupo del Oxígeno (Anfígenos).

ElementoNúm.Atóm.


PuntoFusión

(ºC)

PuntoEbullic.

(ºC)


(eV)

PotencialOxidación (V)

(H2X →X)Oxígeno 8 (2)2s22p4 -219 -183’0 13’61 -1’23Azufre 16 (10)3s23p4 119 444’6 10’36 -0’14Selenio 34 (28)4s24p4 220 685 9’75 +0’40Teluro 52 (46)5s25p4 450 1390 9’01 +0’72Polonio 84 (78)6s26p4 ------ ------ 8’43 >1’0

El Selenio es un elemento tan raro como el oro y se presenta principalmente con elazufre. Casi todo el selenio comercial se obtiene como subproducto en la refinaciónelectrolítica del cobre. Hay varias formas alotrópicas de este elemento, la más estable esla hexagonal o selenio metálico. En la oscuridad el selenio metálico es un mal conduc-tor, pero su conductividad aumenta proporcionalmente a la iluminación que recibe, esdecir, es fotoconductor. Esta propiedad se utiliza en la célula fotoeléctrica de selenio,utilizada en fotómetros destinados a medir la intensidad luminosa.

La mayor parte del selenio obtenido se utiliza en la industria vidriera, para adicio-narlo en pequeñas dosis al vidrio fundido y contrarrestar así el color verde que presentaa causa de impurezas ferruginosas. En grandes cantidades, comunica un característicocolor rojo al vidrio.

El Teluro es un elemento cuya abundancia es casi igual que la del Selenio y es elúnico elemento que aparece combinado con el oro en la naturaleza. También se presentaformando telururos con Cobre y Plomo, y se obtiene como subproducto de la refinaciónde éstos.

La forma alotrópica más estable es la hexagonal o teluro metálico. Estructural-mente se asemeja al Selenio, pero no es tan fotoconductor. Debido a que es un cuerposemiconductor, se utiliza para construir rectificadores, aunque de forma muy limitada.

El Polonio es un elemento radiactivo. Los estudios relativos a este elemento hanencontrado dificultades a causa precisamente de su elevada radiactividad. Su núcleo esinestable, se desintegra con emisión de partículas α. Dado que la radiación α daña a losseres vivos, es un elemento extremadamente peligroso de manejar. Se encuentra en mi-nerales de uranio.


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8. METALES DE TRANSICIÓN

Los elementos situados en la tabla periódica entre los grupos 2a y 3a constituyenun conjunto de subgrupos a los que se ha llamada elementos de transición. La caracte-rística fundamental de estos metales es que en ellos se llena progresivamente el orbital ddel penúltimo nivel energético, que había quedado sin ocupar. Suelen ser metales duros,friables (que se desmenuzan fácilmente) y de elevado punto de fusión. Sus átomos sonde un reducido tamaño, Son muy buenos conductores y la mayoría de ellos son sólidos atemperatura ambiente. En la tabla 9 se indican algunas de las propiedades generales delos metales de transición.

TABLA 9. Metales de transición.

MetalSím-bolo Estructura

Densidad(g/cm3)

PuntoFusión

(ºC)

Conductivi-dad a 0ºC(/Ω.cm)

Escandio Sc CCC 3 1200 --------Titanio Ti ECH 4’5 1660 1’2.104

Vanadio 3V CCI 6’0 1710 1’7.104

Cromo Cr CCI 6’9 1600 6’5.104

Manganeso Mn CCI 7’4 1260 1’1.104

Hierro Fe CCI, CCC 7’9 1535 11’2.104

Cobalto Co CCC, ECH 8’7 1490 16’0.104

Níquel Ni CCC 8’9 1450 16’0.104

Cobre Cu CCC 8’9 1083 64’5.104

Zinc Zn ECH 7’1 419 18’1.104

Ytrio Y ECH 5’5 1490 ------Zirconio Zr ECH; CCI 6’4 1860 2’4.104

Niobio Nb CCI 8’6 1950 4’4.104

Molibdeno Mo CCI 10’2 2620 23’0.104

Tecnecio Tc ECH 11’5 (2100) ------Rutenio Ru ECH 12’4 2450 8’5.104

Rodio Rh CCC 12’4 1970 22’0.104

Paladio Pd CCC 12’0 1550 10’0.104

Plata Ag CCC 10’5 961 66’7.104

Cadmio Cd ECH 8’7 321 15’0.104

Lantano La ECH; CCC 6’2 890 1’7.104

Hafnio Hf ECH 13’3 2200 3’4.104

Tantalio Ta CCI 16’6 >3000 7’2.104

Wolframio W CCI 19’3 3370 20’0.104

Renio Re ECH 20’5 3200 5’3.104

Osmio Os ECH 22’7 2700 11’0.104

Iridio Ir CCC 22’6 2450 20’0.104

Platino Pt CCC 21’5 1774 10’2.104

Oro Au CCC 19’3 1063 49’0.104

Mercurio Hg Rómbica 14’2 -39 4’4.104

CCC=estructura cúbica centrada en las caras ECH=estructura de empaquetamiento compacto hexagonal CCI=estructura cúbica centrada interiormente.


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8.1. Características de los metales más importantes.

A continuación vamos a ver algunas características de los metales más importan-tes por su uso industrial y su abundancia.

El Cromo es un elemento metálico muy duro y activo cuando está pulverizado, apesar de lo cual resiste muy bien la corrosión. Por esto el cromo se utiliza como materialde recubrimiento, tanto por su efecto decorativo como por su poder de protección. Lalámina protectora se deposita por electrolisis.

El ferrocromo se utiliza en aleaciones de acero. Cuando estos aceros contienenpoco cromo son muy duros y tenaces; los que contienen mayor proporción de cromoson los llamados aceros inoxidables, de enorme resistencia a la corrosión. El ferrocromose obtiene de la cromita (FeCr2O4).

El Manganeso no es un elemento muy común. Sus minerales más importantes sonlos óxidos: pirolusita (MnO2) y bratmita (Mn2O3). La mayor parte del manganeso metá-lico se destina a la producción de acero, utilizándose para esto sus aleaciones más que elmetal puro. Dos de estas aleaciones son el ferromanganeso (alrededor del 80% de Mnen Fe) y el spiegeleisen (30% de Mn y 5% de C en Fe).

En el acero, el manganeso cumple dos funciones: en pequeña cantidad actúa comopurificador ya que se combina con el azufre y el oxígeno existentes en el hierro fundidoy forma compuestos fácilmente separables. En cantidad elevada le produce al acero unagran dureza y tenacidad.

El Hierro tiene una importancia industrial que excede la de cualquier otro metal.Es muy abundante en la naturaleza, ocupando el cuarto lugar en la corteza terrestre (trasel oxígeno, silicio y aluminio). Se extrae con facilidad a partir de ciertos minerales quelo contienen: hematites (Fe2O3), limonita (Fe2O3.H2O), magnetita (Fe3O4) y siderita(FeCO3).

La mayor parte del hierro bruto se refina para obtener acero, eliminando sus impu-rezas por combustión y dejando sólo pequeñas cantidades de carbono perfectamentedeterminadas. La corrosión (oxidación) del hierro da lugar a la formación de orín o he-rrumbre. Este proceso constituye un grave problema económico ya que se pierde muchohierro anualmente en forma de herrumbre.

El Cobalto no es un elemento muy abundante y su extracción es complicada, sinembargo su ferromagnetismo es mayor que el del hierro, lo que explica su utilización enimanes. Forma aleaciones importantes por su dureza y resistencia a la corrosión. Losminerales más importantes que lo contienen son la cobaltina o cobalto gris (CoAsS), lalinneíta (Co3S4) y la esmaltina (CoAs2).

El Níquel es un metal que está contenido en sulfuros de hierro y níquel, y su ex-tracción es difícil. Más del 60% de la producción de níquel se alea con el hierro paraaumentar su tenacidad y su resistencia a la corrosión. El resto se utiliza para las aleacio-nes llamadas cuproníquel empleada en la fabricación de monedas. También se utilizacomo metal puro para recubrir el acero y catalizar reacciones de hidrogenación.


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El Cobre es un elemento que abunda muy poco en la naturaleza, pero sus depósi-tos se hallan muy concentrados y son fáciles de explotar. Aparte de cobre nativo, elmetal se presenta en dos tipos de minerales: sulfuros y óxidos. El cobre metálico esmaleable, dúctil y gran conductor del calor y la electricidad. Con excepción de la plataes el metal que presenta menor resistencia eléctrica, de ahí que se use en cables con-ductores, disyuntores y conmutadores. El cobre también se utiliza en muy variadas alea-ciones como latones (cobre+zinc), bronces (cobre+estaño), etc.

La Plata y el Oro son elementos escasísimos, sobre todo el oro, que es unas diezveces menos abundantes que la plata. La plata es el elemento que mejor conduce laelectricidad, pero debido a su escasez y a su precio no se utiliza en electricidad. Encuanto al oro es el más maleable y dúctil de los metales, y muy buen conductor, pero esmuy caro y escaso. Las principales utilidades de estos metales se presentan en joyería.

El Mercurio se encuentra en la naturaleza en estado combinado formando el mine-ral cinabrio (HgS), único mineral que contiene mercurio. El metal es líquido a tempe-ratura ambiente, no muy volátil y sus vapores son muy tóxicos y de efectos acumulati-vos. Su dilatación uniforme al variar la temperatura y su elevada densidad (13'59 g/cm3)lo hacen el líquido más apropiado para su utilización en barómetros, termómetros yotros aparatos relacionados con la temperatura y presión. El mercurio líquido disuelve anumerosos metales, en especial a los más blandos (cobre, plata, oro y alcalinos). Lasaleaciones resultantes, unas sólidas y otras líquidas, se denominan amalgamas.

9. ALEACIONES

9.1. Tipos de Aleaciones. Metalografía.

Muy pocos metales se emplean en estado puro, con excepción del cobre, aluminioy hierro. El resto se emplean en forma de mezclas más o menos complejas que recibenel nombre de aleaciones. Una aleación es el producto metálico que resulta al solidificaruna disolución líquida de dos o más metales o, en algún caso, con algún elemento nometálico tal como el carbono.

Cuando la aleación líquida se enfría se van separando cristales cuya naturaleza y com-posición da lugar a los cuatro tipos de aleaciones siguientes:

a) Tipo eutéctico sencillo. Cuando los dos metales poseen átomos muy diferentes noson solubles en estado sólido y los cristales empiezan a separarse según sean deuno u otro metal hasta que alcanzan la temperatura eutéctica, y los dos metalescristalizan conjunta pero independientemente. Son ejemplos el cadmio-bismuto,silicio-aluminio, berilio-aluminio, cobre-plomo (bronce plástico) y plomo-ant i-monio.

b) Tipo disolución sólida sustitucional. Se produce cuando los átomos de los ele-mentos son químicamente semejantes y de parecidos tamaño, cristalizando en lamisma forma. Los átomos de cada metal se distribuyen al azar en la red cristalinaresultante y constituyen una disolución sólida. Son ejemplo el oro-plata, oro-platino, cobre-níquel, oro-níquel, cobalto-níquel, etc.


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c) Tipo compuesto intermetálico. En algunos casos, los átomos de los dos metalesforman compuestos de composición y puntos de fusión definidos si se supone queestos compuestos no existen en fase líquida. Las fórmulas de estos compuestosson: AgZn, Cu3Si, Cu9Al4, FeZn7, etc., no corresponden a las reglas sencillas devalencia.

d) Tipo disolución sólida con compuesto intersticial. Los átomos de pequeño volu-men de un elemento no metálico tal como el hidrógeno, boro, nitrógeno y carbo-no, pueden alojarse en los huecos existentes en el retículo cristalino de un metal.La disolución sólida que resulta se conoce como disolución intersticial, supuesta aveces como un compuesto. La carburación o nitración superficial de los aceros pa-ra dar lugar a la formación de una capa superficial de gran dureza es un ejemplode estos tipos de disoluciones.

Una aleación determinada puede corresponder a un tipo intermedio y su estructuraser muy compleja. El estudio de la estructura de las aleaciones y su modificación conlos tratamientos a los que pueden someterse, constituye una parte separada de la meta-lurgia que se conoce como Metalografía.

9.2. Propiedades de las aleaciones.

Las propiedades de las aleaciones dependen mucho más de la manera en que losdiferentes átomos están ordenados en el retículo metálico y de la distinta composición yestructura de los componentes microcristalinos, que de la naturaleza de los distintosmetales que las constituyen. La mayor dificultad en el desplazamiento de los planosreticulares hace que las aleaciones sean más fuertes y más duras, si bien se trabajan conmás dificultad.

La densidad de la aleación es prácticamente la única propiedad aditiva. El color loes en muchos casos y así, el latón es amarillo al estar constituido por el cobre (rojo) y elzinc (blanco argentino); pero la aleación de cobre y níquel para monedas es de color grisargentino a pesar de la elevada proporción de cobre (75%). La plata da al oro un tonoverdoso.

La resistencia eléctrica de una aleación es mayor que la de los metales que la for-man. Todos los hilos de resistencia son aleaciones. La aleación constantan (60% Cu y40% Ni), tiene una resistencia específica de 44'3 frente a los valores 1'69 para el cobre,y 7'8 para el níquel.

También las propiedades químicas de las aleaciones difieren a veces de las quepodrían esperarse por las propiedades de sus metales constituyentes. El acero inoxidable(17-19% Cr, 7-9% Ni, 0-11% C) que resiste extraordinariamente la corrosión químicaes ejemplo de ello.

En la tabla l0 tenemos una lista de las principales aleaciones, con excepción de lasde hierro, cobalto y níquel.


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TABLA 10. AleacionesNombre Composición Aplicaciones

Bronce de Aluminio Cu(90%)+Al(10%) Duro, no corroible. Equiposexpuestos a liq. corrosivos

Bronce de Cañón Cu(90%)+Sn(10%) Engranajes. Moldeados, etc

Bronce de Manganeso Cu(90%)+Zn(5%)+Sn(3%)+Mn(2%) Hélices de Barcos.

Constantan Cu(60%)+Ni(40%) Termoelementos.

Duraluminio Al(95’5%)+Cu(3%)+Mn(1%)+Mg(0’5%)

Piezas de Aeroplanos, y Au-tomóviles.

Latón (amarillo) Cu(67%)+Zn(33%) Tubos, Planchas, Cartuchos.Latón (rojo) Cu(90%)+Zn(10%) Pintura de oro, Bisutería.

Metal Babbit Sn(90%)+Sb(8%)+Cu(3%)

Cojinetes antifricción.

Metal Britania Sn(90%)+Sb(8%)+Cu(2%) Cubiertos de Mesa baratos

Metal Campanas Cu(78%)+Sn(22%) Campanas, Gong, etc.Metal de Espejos Cu(67%)+Zn(33%) Pulimento elevado, Reflector

Metal Imprenta Pb(82%)+Sb(15%)+Sn(3%)

Tipos de fundición

Metal Almirantazgo Cu(70%)+Zn(29%)+Sn(1%)

Aparejos Marina, Tubos re-frigerantes para agua salada.

Metal DOW-DAl(8’5%)+Mn(0’15%)+Cu(2’0%)+Cd(1’0%)+Zn(0’5%)+Mg(87’85%)

Metal ligero muy resistente ala tracción.

Metal Monel Ni(72%)+Cu(26’5%)+Fe(1’5%)

Hélices. Alambres, Planchas,Tubos, etc. no corroible.

9.3. Aleaciones especiales de Hierro (Aceros).

El acero es hierro con una pequeña proporción de carbono. Generalmente contienemanganeso. Frecuentemente se añaden otros elementos como silicio, níquel, cromo,wolframio, vanadio y molibdeno, con objeto de obtener aceros especiales. En la tabla 11vemos estos aceros especiales o de aleación, con sus propiedades, composición y apli-caciones.

El hierro cambia sus propiedades en las aleaciones, no sólo por la adición de otroselementos sino por la modificación de su estructura cristalina mediante temple y reveni-do. Un acero muy duro y quebradizo, tal como el adecuado para instrumentos quirúrgi-cos y hojas de afeitar, se obtiene calentando un acero rico en carbono a elevada tempe-ratura y enfriándolo bruscamente en agua o aceite; este enfriamiento brusco se denomi-na templado. Volviendo a calentar con precaución este acero templado se hace menosquebradizo y de gran dureza, la cual se regula con la temperatura a la que recalentamos;este proceso se denomina revenido.


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TABLA 11. Aceros

Acero al Composición PropiedadesCaracterísticas

Aplicaciones

Manganeso Mn(10-18%) Muy duro y resistente aldesgaste.

Maquinaria molinería,Cajas Fuertes.

Cromo-Vanadio Cr(1-10%)V(0’15%)

Gran resistencia a traccióncompresión y torsión.

Ejes y otras piezas deautomóviles.

Wolframio W(10-20%)Cr(3-8%)

Conserva el temple a ele-vada temperatura.

Herramientas cortantesrápidas.

Molibdeno Mo(6-7%) Conserva el temple a ele-vada temperatura.

Herramientas cortantesrápidas.

Níquel Ni(2-4%) Resistencia a corrosión,gran dureza y elasticidad.

Arboles de impulsión,engranajes, cables.

Aleación Invar Ni(36%) Coeficiente de dilataciónmuy pequeño.

Reglas graduadas, Va-rillas de péndulos.

Niquel-Cromo Ni(1-4%)Cr(0’5-2%)

Resistencia a tracción,gran dureza y elasticidad.

Blindajes.

18-8 Cr(18%)Ni(8%) Inoxidable. Instrumentos y útiles de

cocina, ornamentación.

9.4. Aleaciones especiales de Níquel y Cobalto.

Los elementos metálicos cobalto y níquel forman parte de muchas aleaciones, enmás o menos cantidad junto con el hierro y con otros elementos metálicos. La composi-ción, las propiedades más destacables y aplicaciones más frecuentes de estas aleacionesespeciales están esquematizadas en la tabla 12. Vemos en ella como las aplicaciones deestas aleaciones son muy diversas: fabricación de imanes, hilos de resistencia, bisutería,cuchillería, instrumentos de precisión, etc.

TABLA 12. Aleaciones de Cobalto y Níquel.Nombre Composición Aplicaciones

Alnico Ni(20%)+Fe(63%)Al(12%)+Co(5%)

Alta permeabilidad magnética.Imanes y aparatos eléctricos.

Constantan Ni(40%)+Cu(60%) Pares termoeléctricos.

Monel Ni(72%)+Cu(26’5%)+Fe(1’5%)

Inoxidable. Hélices, válvulas,alambres, chapas.

Nicrom Ni(60%)+Cr(40%) Punto fusión elevado y baja con-ductividad. Resistencias.

Nicrom IV Ni(80%)+Cr(20%) Punto fusión elevado y baja con-ductividad. Resistencias.

Plata Alemana Ni(22%)+Zn(26%)+Cu(52%)

Color blanco argentino. Bisuteríay cuchillería.

Platinita Ni(46%)+Fe(54%)+C(trazas)

Coeficiente de dilatación peque-ño. Hilos entrada lamparas eléc.

Permalloy Ni(78%)+Fe(22%) Alta permeabilidad magnética.Imanes.

Carboloy Co(13%)+W(87%) Gran dureza. Herramientas.


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BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Michell J.SIENKO y Robert A.PLANE. Química Teórica y Descriptiva. EditorialAguilar. 1970. MADRID.

Joseph A.BABOR y José IBARZ AZNAREZ. Química General Moderna. Edito-rial Marín. 1968. BARCELONA.

Linus PAULING. Química General. Editorial Aguilar. 1971. MADRID

Soledad ESTEBAN SANTOS y Raquel NAVARRO DELGADO. Química Gene-ral. Tomo 1. U.N.E.D. 1983. MADRID.

Kenneth W.WHITTEN y Kenneth D.GAILEY. Química General. Nueva EditorialInteramericana, S.A. 1986. MEJICO.


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Tratamiento Didáctico----------------------------------------------------------------------------------------------------------OBJETIVOS

Estudio sistemático de los metales representativos del sistema periódico, en funciónde su constitución y estructura, estudio de sus características por grupos del sistemaperiódico, sus aplicaciones y compuestos de interés industrial que se derivan de ellos.UBICACIÓN

El presente tema se ubicará en el 2° curso del Bachillerato dentro del núcleo trans-versal de "Química descriptiva".TEMPORALIZACION

Puede explicarse el tema en 4 horas de clase aproximadamente, lo que dependerá dela síntesis que se realice en la descripción detallada de propiedades.METODOLOGIA

La explicación del tema debe huir de la sistemática descriptiva independiente y sedebe orientar su explicación según una sistemática comparada, basada en los grupos delSistema Periódico.

La explicación debe ayudarse con la realización de prácticas de laboratorio demos-trativas de las propiedades básicas explicadas.

Se realizarán problemas estequiométricos relacionados con las propiedades de loselementos de los grupos.CONTENIDOS MINIMOS

Conocimiento de los grupos representativos del Sistema Periódico.Propiedades generales de los metales.Clasificación de los metales en el Sistema Periódico.Propiedades de los metales según su ubicación en la Tabla Periódica.Propiedades generales de los grupos diferenciados:

Representativos y de transición.Principales compuestos derivados de los metales y sus aplicaciones.Aleación. Principales aplicaciones de interés industrial.

MATERIALES Y RECURSOS DIDACTICOSSistema periódico mural.Material básico de laboratorio para prácticas.Muestras de metales más frecuentes.Transparencias de estructuras moleculares y de tablas de propiedades físicas de los

metales.EVALUACION

Se evaluará el tema mediante ejercicios escritos que comprendan preguntas sobrecuestiones básicas, de las que destacaremos:

Reacciones de metales con elementos del sistema periódico.Interpretación de las propiedades periódicas de los metales del sistema periódi-co.Configuraciones electrónicas y las propiedades que se derivan.Problemas numéricos de estequiometría.Valencias de metales a partir de configuraciones electrónicas.

Pruebas escritas de respuesta múltiple, relativas a las cuestiones anteriores tendentesa evaluar la capacidad de razonamiento teórico y conceptual.

Evaluación de las prácticas de laboratorio realizadas.

TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA (Oposiciones de …usuaris.tinet.org/acas/apunts/opos/42-49/TEMA...

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