1.Clasificación de los materiales metálicos.
2.Enlace metálico.
3.Características físicas/químicas de los materiales metálicos.
4.Estructura interna de los materiales metálicos.
5.Pureza y aleaciones.
6.Historia de la humanidad relacionada con los materiales metálicos.
7.Extracción, producción y reciclado de materiales metálicos.
8.Oxidación y corrosión.
1.Clasificación de los materiales metálicos.
Desde el punto de vista de su composición, se agrupan en dos grandes categorías: los
materiales metálicos y los no metálicos.
- Los materiales metálicos son aquellos cuya base fundamental está constituida por un
metal, como el hierro, el cobre, el cinc, el aluminio, el plomo, el estaño y otros.
Por su especial utilidad en el campo industrial, distinguiremos dos tipos: los materiales
férricos, o materiales derivados del hierro, y los materiales no férricos, derivados del resto de
los metales.
- Los materiales no metálicos están formados por aquellos en cuya composición no
intervienen los metales como componente básico.
Dependiendo de su origen, distinguiremos los materiales naturales, como la seda o el
cuarzo, lo sintéticos, como el hormigón o el vidrio, y los materiales auxiliares, en los que se
incluyen los pulimentos, las pinturas, los lubricantes (que tanto nos gustan) y otros.
Los materiales cumplen funciones muy distintas, dependiendo de la necesidad que se
pretende satisfacer: la alimentación, la vivienda, el vestido y calzado, la ornamentación, la
obtención de energía, la fabricación de herramientas, el transporte, la comunicación
Algunos ejemplos:
Aluminio:
Cobre:
oro:
titanio:
zinc:
iridio:
2.Enlace metálico.
El enlace metálico se produce cuando se unen átomos de un mismo metal, produciéndose estructuras muy compactas formando redes tridimensionales.
| |||||
 Las sustancias metálicas tienen propiedades muy características, como el brillo y la conductividad eléctrica, de aquí se deduce que los electrones implicados en este tipo de enlace deben tener gran libertad de movimiento. | |||||
Representación de red centrada en el cuerpo (Li, Na, K)
| ||||||
Todos los metales, excepto el mercurio (líquido a temperatura ambiente), poseen
unas características comunes derivadas de su estructura interna, que a su vez es
consecuencia de la particularidad propia del enlace metálico.
Algunas de estas características son las siguientes:
- Elevada conductividad térmica y eléctrica.
- Considerable resistencia mecánica.
- Gran plasticidad; es decir, considerable capacidad
de deformación antes de la rotura.
- Elevada maleabilidad (capacidad de laminación).
- Carácter reciclable, ya que se pueden fundir y
conformar de nuevo. 3.Características físicas/químicas de los materiales metálicos.
3.1 Físicas
- Su estado físico es sólido a excepción del mercurio que es líquido.
- Presentan un brillo característico en su superficie (brillo metálico).
- Son dúctiles (se les puede transformar en alambres) y maleables (se pueden transformar en láminas).
- Son buenos conductores del calor y la electricidad.
- Son tenaces (la mayoría de ellos se resisten a la ruptura).
- Su densidad es elevada si se compara con las de los no metales.
- Se pueden hacer aleaciones (fundir y mezclar dos o más metales).
- A continuación se presentan una serie de elementos metálicos de la tabla periódica con sus principales características y propiedades físicas.
- Cobre (Cu) propiedades y características físicas
- Metal de color rojizo, sólido.
- Dúctil y maleable.
- Tenaz.
- Después del oro y la plata es el que conduce mejor calor y electricidad.
- Su densidad es de 8.90 g/cm3.
- Sus principales aleaciones son: latón (67% cobre y 33% zinc). Latón blanco (más de 50% de zinc con cobre). Plata nueva (Cu, Zn y Ni). Constantán (Cu y Ni) y bronce (cobre y estaño).
- 3.2 Químicas
- Su molécula está formada por un átomo.
- Sus átomos tienen 1, 2 o 3 electrones que pueden participar en un enlace químico.
- Al ionozarse (proceso para producir iones; átomos con carga eléctrica) adquieren carga eléctrica positiva.
ejemplo:
- Magnesio (Mg) propiedades químicas.
- Al quemarse se obtiene una llama muy brillante (se produce óxido de magnesio).
- Arde también en presencia del vapor de agua, óxido de carbono, anhídrido carbónico, cloro, bromo, azufre y yodo combinándose.
4.Estructura interna de los materiales metálicos.
Los cuerpos sólidos se pueden presentar en dos estados fundamentales:
- Cristalino. Cuando están constituidos
por átomos perfectamente ordenados en el
espacio. En este grupo se encuentran
englobados los metales, los materiales
cerámicos y algunos polímeros que poseen
regularidad suficiente.
- Amorfo. Cuando solamente presentan
una ordenación espacial a corta distancia. Es el
caso de los vidrios y de los polímeros vítreos.
La estructura espacial de un sólido cristalino
se construye a partir de una unidad repetitiva o
celda unidad.
En los vértices de estas celdas unidad se
sitúan los átomos. La repetición de las celdas en el
espacio da lugar a las llamadas redes cristalinas
simples.
También existe la posibilidad de situar
átomos en los centros de las celdas (red cristalina
centrada) o de las caras (red cristalina de caras
centradas).
5.Pureza y aleaciones.
Minerales del hierro :
El elemento químico hierro forma parte de la corteza terrestre en un porcentaje del 5
%. Nunca se presenta en estado puro, sino combinado en forma de óxidos, hidróxidos,
carbonatos y sulfuros. Los principales minerales de los que forma parte son la magnetita, la
hematites roja, la siderita, la limonita y la pirita.
. La magnetita es una mezcla de óxidos de hierro. Es de color oscuro, casi negro, y
resulta una excelente mena de hierro, ya que posee el 60-70 % de este elemento. Sin
embargo, es poco abundante en la naturaleza.
. La hematites roja es óxido de hierro. Se presenta en forma de masas compactas de
color rojo. Contiene un 40-60 % de hierro y es mucho más abundante que el mineral anterior.
. La siderita es carbonato de hierro. Tiene color amarillento y algunos fragmentos
presentan brillo como de vidrio. Es la mena fundamental de hierro -de ahí su nombre-,
aunque su porcentaje de riqueza oscila en torno al 30-40 %.
. La limonita es hidróxido de hierro. Procede de la alteración de otros minerales de
hierro. En ocasiones se presenta en forma de masas compactas de color pardo o negruzco.
Otras veces impregna Las arcillas y las tierras de cultivo dándoles un color amarillo
característico. Puede aprovecharse como mena de hierro, aunque su rendimiento es escaso
debido a su bajo contenido de este metal.
. La pirita es sulfuro de hierro mezclado con compuestos de cobre. Es un mineral muy
abundante en nuestro país y presenta un color amarillo característico, con brillo metálico. A
pesar de su abundancia, apenas se utiliza como mena de hierro .
Aleaciones
Las Aleaciones son la mezcla de un metal principal
con otros elementos para mejorar las propiedades físicas y mecánicas del metal puro. Variando la
composición de las aleaciones se puede conseguir un rango de propiedades diferentes para un
amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, pequeñas cantidades de Berilio en Cu metálico aumenta
mucho la dureza y resistencia.
El acero y otras aleaciones férreas son las más consumidas debido a la gran variedad de
propiedades que presentan, a la facilidad en su producción y al bajo coste de fabricación. Sin
embargo, los principales inconvenientes son (1) densidad relativamente alta, (2) conductividad
eléctrica comparativamente baja, y (3) susceptibilidad a la corrosión en medios comunes. Por estos
motivos se han desarrollado muchos tipos de aleaciones que abarcan una enorme gama de
propiedades tanto físicas como químicas principalmente de resistencia a ambientes muy agresivos.
Cuando se añade un átomo extraño se pueden distinguir dos casos. Que el elemento sea
soluble (quede dentro de la red cristalina), bien formando una disolución sólida o bien un
compuesto. En este caso el soluto es el elemento en menor proporción y el disolvente el que está en
mayor proporción. o Que el elemento que se añada no sea soluble sino que origina una mezcla de
fases. Bajo el microscopio electrónico se pueden distinguir las fases fácilmente
6.Historia de la humanidad relacionada con los materiales metálicos
Se denominan materiales férricos aquellos cuyo componente
principal es el hierro, asociado con otras sustancias, tanto metálicas
como no metálicas.
Se denominan materiales férricos aquellos cuyo componente
principal es el hierro, asociado con otras sustancias, tanto metálicas
como no metálicas.
Entre la gran variedad de materiales metálicos empleados por la industria, merecen
especial atención el hierro y sus derivados, denominados genéricamente materiales férricos.
No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal
susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro
descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año
3.000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban
adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.C. la
técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro
mediante tratamiento térmico.
Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del
hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se
clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba
una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado.
Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de
hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y
cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras
permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para
expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido
en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y
un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación
producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado.
Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro
forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días,
con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en
acero auténtico.
Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición
y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla
de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte
superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como
resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado
arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El
arrabio se refinaba después para fabricar acero.
La producción moderna de acero emplea altos hornos que
Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.
y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla
de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte
superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como
resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado
arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El
arrabio se refinaba después para fabricar acero.
La producción moderna de acero emplea altos hornos que
son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El
proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe
al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el
horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960
funcionan varios minihornos que emplean electricidad para
producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes
instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para
producir acero a partir de mineral de hierro.
proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe
al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el
horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960
funcionan varios minihornos que emplean electricidad para
producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes
instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para
producir acero a partir de mineral de hierro.
7.Extracción, producción y reciclado de materiales metálicos.
En el proceso de extracción minera se utilizan diferentes métodos y técnicas, veamos algunos de ellos:
- Extracción de mineral a cielo abierto: se realiza cuando el yacimiento puede ser explotado en la superficie; tales son los casos de las minas de hierro en Cerro Bolívar y El Pao o las minas de bauxita en Los Pijiguaos en Guayana.
- Extracción de mineral del subsuelo: cuando se trata de excavar a cierta profundidad para extraer el rnineral, por lo general el carbón se extrae en esa forma.
- Extracción por cernido: se refiere a la búsqueda de minerales en la tierra o arena, cerniéndola y pasándola por corrientes de agua como lo hacen los mineros al buscar diamantes u otras piedras preciosas.
- Extracción por bombeo: se refiere a la remoción de grandes cantidades de arena desde el fondo de los ríos para obtener diamantes, otras piedras preciosas u oro.
Producción
El alto horno es la construcción para efectuar la fusión y la reducción de minerales de hierro, con vistas a elaborar la fundición.
Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.
La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque.
Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.
La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza.
Una vez obtenido el arrabio líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes.
8.Oxidación y corrosión.
Los materiales están expuestos continuamente a los más diversos ambientes de
interacción material-ambiente provoca, en muchos casos, la pérdida o deterioro de las
propiedades físicas del material. Los mecanismos de deterioro son diferentes según
se trate de materiales metálicos, cerámicos o polímeros (plásticos). Así, en el hierro,
en presencia de la humedad y del aire, se transforma en óxido, y si el ataque continúa
acaba destruyéndose del todo. Desde el punto de vista económico, la corrosión
ocasiona pérdidas muy elevadas.
En los materiales metálicos, el proceso de deterioro se llama oxidación y
corrosión. Por otro lado, en los cerámicos las condiciones para el deterioro han de ser
extremas, y hablaremos también de corrosión. Sin embargo, la pérdida de las
propiedades de los materiales polímeros se denomina degradación.
En el deteriores de materiales podemos distinguir dos procesos:
1. Oxidación directa: Resulta de la combinación de los átomos metálicos con los de
la sustancia agresiva. Ejemplos:
2 Fe + O2 2 FeO (herrumbre-óxido) (oxidación por oxígeno como causa) →
Fe + S FeS (sulfuro) (oxidación por azufre como causa) →
Esto lleva a que el metal, con el tiempo, pase de tener un estado libre
(puro) a tener un estado combinado con otros elementos (óxidos, carbonatos,
sulfatos,...)
En este caso, los productos de la reacción quedan adheridos a la
superficie del metal. En algunos casos, se forman películas protectoras que los
aislan del agente corrosivo. El caso más corriente es el ataque por oxígeno. En
este caso, sobre el metal se forma una capa de óxido que, en algunos casos
autoprotege al metal de una mayor oxidación. Cu, Ni, Sn, Al, Cr,... Los ambientes
son secos.
Pero el oxígeno no es el único agente, pues también puede intervenir el
cloro (Cl2), el azufre (S), el hidrógeno (H2), el monóxido de carbono (CO), el
dióxido de carbono (CO2),...
En los procesos de oxidación, los metales pasan de su estado elemental a
formar iones positivos (cationes) por pérdida de electrones.
interacción material-ambiente provoca, en muchos casos, la pérdida o deterioro de las
propiedades físicas del material. Los mecanismos de deterioro son diferentes según
se trate de materiales metálicos, cerámicos o polímeros (plásticos). Así, en el hierro,
en presencia de la humedad y del aire, se transforma en óxido, y si el ataque continúa
acaba destruyéndose del todo. Desde el punto de vista económico, la corrosión
ocasiona pérdidas muy elevadas.
En los materiales metálicos, el proceso de deterioro se llama oxidación y
corrosión. Por otro lado, en los cerámicos las condiciones para el deterioro han de ser
extremas, y hablaremos también de corrosión. Sin embargo, la pérdida de las
propiedades de los materiales polímeros se denomina degradación.
En el deteriores de materiales podemos distinguir dos procesos:
1. Oxidación directa: Resulta de la combinación de los átomos metálicos con los de
la sustancia agresiva. Ejemplos:
2 Fe + O2 2 FeO (herrumbre-óxido) (oxidación por oxígeno como causa) →
Fe + S FeS (sulfuro) (oxidación por azufre como causa) →
Esto lleva a que el metal, con el tiempo, pase de tener un estado libre
(puro) a tener un estado combinado con otros elementos (óxidos, carbonatos,
sulfatos,...)
En este caso, los productos de la reacción quedan adheridos a la
superficie del metal. En algunos casos, se forman películas protectoras que los
aislan del agente corrosivo. El caso más corriente es el ataque por oxígeno. En
este caso, sobre el metal se forma una capa de óxido que, en algunos casos
autoprotege al metal de una mayor oxidación. Cu, Ni, Sn, Al, Cr,... Los ambientes
son secos.
Pero el oxígeno no es el único agente, pues también puede intervenir el
cloro (Cl2), el azufre (S), el hidrógeno (H2), el monóxido de carbono (CO), el
dióxido de carbono (CO2),...
En los procesos de oxidación, los metales pasan de su estado elemental a
formar iones positivos (cationes) por pérdida de electrones.
Corrosión electroquímica o corrosión en líquidos. En este caso, el metal es
atacado por un agente corrosivo en presencia de un un electrolito. (Un
electrólito o electrolito es cualquier sustancia, normalmente líquida, que
contiene iones libres, que se comportan como un medio conductor eléctrico.
Normalmente un electrolito es una disolución, en la que el disolvente suele ser
agua y el soluto otra sustancia). El ejemplo más conocido es el agua del mar (el
cloruro sódico es un agente corrosivo), que actúa como electrolito.
Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos, ya que en la superficie
del metal se generan “micropilas galvánicas” en las que la humedad actúa como
electrolito. El metal actúa como ánodo (polo positivo) y, por lo tanto, se disuelve. Así,
el electrolito actúa como medio conductor a través del cual viajan las cargas que
abandonan los electrones del ánodo que se corroe, el metal.
Existe un tipo de corrosión de tipo electroquímico que aparece cuando se juntan
metales diferentes o son conectados eléctricamente. Al producirse el contacto, el
metal más electronegativo desempeña el papel de ánodo y, por tanto, sufre la
corrosión.
Definiciones:
- a) Ánodo: Metal que cede electrones y se corroe.
- b) Cátodo: Receptor de electrones.
- c) Electrolito: Líquido que está en contacto con el ánodo y el cátodo Este líquido proporciona el medio a través del cual se asegura el desplazamiento de cargas eléctricas desde el ánodo hasta el cátodo.
