METALES Y ALEACIONES Metales en la Tabla Periódica

METALES Y ALEACIONES
QUIMICA INORGANICA
Propiedades características del estado metálico
a. Alta reflectancia para la luz visible (brillo metálico)
b. Ductilidad y maleabilidad
c. Alta conductividad eléctrica
d. Alta conductividad térmica
e. Facilidad para poder arrancar sus electrones
de valencia
Metales en la Tabla Periódica
Metales
H
No metales
Li Be
Semimetales
Na Mg
He
B C N O F Ne
Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac UnqUnpUnh Uns
La
Ac
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa U Np Pu AmCm Bk Cf Es FmMd No Lr
Estructuras cristalinas de los metales
Cúbica centrada
en el cuerpo
Factor de
ocupación
Cúbica
compacta
ABCABC...
68%
74%
Hexagonal
compacta
ABABAB...
74%
Formas alotrópicas del Fe (P = 1 atm)
hierro fundido
T
1530 °C
δ-Fe
1401 °C
γ-Fe
906 °C
α-Fe
Molécula de hidrógeno
σ*
1s
1s
Orbital molecular
antienlazante
1s
σ1s
Orbital molecular
enlazante
Energía
Diagrama energético de OM
H2
H4
H6
H8
H10 H12 H14
Hn
Diagramas de bandas
Metales alcalinos
ns
ns
Metales alcalino térreos
ns
ns
No es una situación de enlace
Metales alcalino térreos
np
np
ns
ns
Condiciones de enlace
Metales alcalino térreos
np
np
ns
ns
Variación en el PF de los metales del bloque s
PF(°C)
PF(°C)
1500
1500
1000
1000
Alcalinos
Alcalinos
Alcalino-térreos
Alcalino-térreos
500
500
0
0
Variación en el PF de los metales del período 4
PF(°C)
PF(°C)
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
0
0
K
K
Ca Sc T i V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga
Ca Sc T i V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga
Variación en el PF de los metales del período 5
3000
3000
2500
2500
PF(°C)
PF(°C)
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
0
0
Rb Sr Y
Zr Nb Mo T c Ru Rh Pd Ag Cd In
Rb Sr Y
Zr Nb Mo T c Ru Rh Pd Ag Cd In
Variación en el PF para algunos metales d
PF(°C)
PF(°C)
3500
3500
3000
3000
2500
2500
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
0
0
V Nb Ta
V Nb Ta
Cr Mo W
Cr Mo W
Co Rh Ir
Co Rh Ir
Variación en la densidad de los metales del período 5
14
14
12
12
Densidad (g/cc)
Densidad (g/cc)
10
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0 Rb
Sr
Y
Zr Nb Mo T c Ru Rh Pd Ag Cd In
Rb
Sr
Y
Zr Nb Mo T c Ru Rh Pd Ag Cd In
Metales en la Tabla Periódica
Metales
H
No metales
Li Be
Semimetales
Na Mg
He
B C N O F Ne
Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac UnqUnpUnh Uns
La
Ac
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa U Np Pu AmCm Bk Cf Es FmMd No Lr
Propiedades relacionadas con la
energía del enlace metálico
»Conductividad eléctrica
»Conductividad térmica
»Coeficiente de dilatación térmica
»Punto de fusión
»Volumen atómico
»Radio metálico
»Capacidad calorífica
Semiconductores
Banda de
conducción
vacía
T
Banda de
valencia
llena
Si puro
Semiconductores tipo n
Banda de
conducción
Banda de
valencia
As
Semiconductores tipo p
Banda de
conducción
Banda de
valencia
Ga
Sistemas intermetálicos (aleaciones)
Red cristalina básica
Solución sólida sustitucional
Sistemas intermetálicos (aleaciones)
Fase de superestructura
Solución sólida intersticial
Obtención y separación de metales
GANGA
MENA
MINERAL DE INTERES
1. Separación preliminar
2. Reducción al estado metálico
2.1. Descomposición térmica.
2.2. Desplazamiento de elementos
2.3. Reducción química a alta temperatura
2.4. Reducción electrolítica
3. Purificación
2.3. Reducción química a alta temperatura.
- Reducción por C:
Fe2O3 +
ZnO +
PbO
+
C
C
C
Fe
Zn
Pb
- Reducción por otro metal:
3Mn3O4 + 8Al
Cr2O3
+ 2Al
TiCl4
+ 2Mg
tostado
-Autoreducción:
en aire
CuS
9Mn + 4Al2O3
2Cr + Al2O3
Ti + 2MgCl2
tostado
sin aire
CuO
+
CuS
Cu + SO2
Termodinámica de los procesos de reducción
Hg
200
Ag
0
MO2
ΔG = ΔH - TΔS
ΔG0(kJ.mol-1)
M + O2
Ni
-200
Fe
Cr
Ti
Al
C
-400
-600
-800
-1000
Ca
Mg
-1200
500
1500
Temperatura(°C)
2500
Diagramas
de
Ellingham
Termodinámica de los procesos de reducción
C + O2
ΔG0(kJ.mol-1)
-400
CO2
2C + O2
-600
2CO
-800
-1000
500 710
1500
2500
Temperatura(°C)
Métodos industriales a conocer:
Fe
acero
Cu
Al
Na
Ti
Cr
Producción de Fe y aceros
Fuente: hematita (Fe2O3)
Reacciones del proceso:
2C(s) + O2(g)
Fe2O3(s) + 3CO(g)
CaCO3(s)
Impurezas:
CaO(s) + SiO2(s)
2CO(g)
2Fe(l) + 3CO2(g)
CaO(s) + CO2(g)
CaSiO3(l)
Mineral, coque y
piedra caliza
Salida de
gases
Oxígeno
Oxígeno
Salida de
la escoria
Salida del
metal
Producción de Cu
Fuente: calcocita (Cu2S)
Etapas del proceso:
a. Concentrado por flotación
b. Oxidación
2Cu(s) + SO2(g)
Cu2S(s) + O2(g)
c. Purificación electrolítica
Cu(s, impuro)
Cu2+(ac) + 2e
2+
Cu (ac) + 2e
Cu(s, puro)
Producción de Ti
Fuente: TiO2 y FeTiO3
Reacciones del proceso:
TiO2 + 2C + 2Cl2
2FeTiO3 + 6C + 7Cl2
TiCl4 + 2CO
2TiCl4 + 2FeCl3 + 6CO
Purificación (proceso Kroll):
TiCl4 + 2Mg
Ti + 2MgCl2
Producción de Cr
Fuente: cromita (FeCr2O4)
Reacciones del proceso:
FeCr2O4 + C
ferrocromo
Fe + 2Cr + 4CO
2FeCr2O4 + 8NaOH + 31/2O2 4Na2CrO4 + Fe2O3 + 4H2O
Na2Cr2O7 + 2C
Cr2O3 + Na2CO3 + CO
Cr2O3 + 2Al
2Cr + Al2O3
Producción de Al
Fuente: bauxita (AlO·OH, Al2O3·H2O,
Al(OH)3, Al2O3·3H2O)
Etapas del proceso:
a. Purificación (proceso Bayer) usando las
características anfóteras del Al(III).
b. Obtención electrolítica (proceso Hall-Héroult)
a partir de sales fundidas con criolita
(Na3AlF6)
Producción de Na
Na
Cl2
Celda Downs
Cátodo
NaCl + CaCl2
Anodo
Na