32
1 CARACTERISTICA GENERALĂ A METALELOR Metalele se deosebesc, în stare solidă, de toate celelalte substanţe (atît simple, cît şi compuse) prin proprietăţi caracteristice, anume prin conductibilitatea excepţional de mare pentru căldură şi electricitate , prin opacitate aproape totală şi printr-o mare putere de reflexie a luminii vizibile, prin aşa numitul luciu metalic. Acest lucru se obsevă însă, de obicei, numai în cazurile în care metalul formează o masă compactă. Este d, că magneziul şi aluminiul îşi păstrează luciul şi în stare de pulbere, dar majoritatea metalelor în stare fin divizată sunt de culoare neagră sau cenuşie închisă. Metalele se mai caracterizează prin faptul că nu formează decît în cazuri extrem de rare amestecuri omogene cu substanţele nemetalice, în timp ce au o mare tendinţă de a forma amestecuri între ele – aliaje. Aliajele au deasemenea proprietăţi metalice. Poziţia în Sistemul Periodic În SP metalele sunt aranjate în partea de jos din stînga faţă de diagonala trasată de la bor la astatiniu şi în toate subgrupele secundare. Caracteristica principală a atomilor de metale este prezenţa unui număr mic de electroni de valenţă, care în procesul reacţiilor chimice sunt cedaţi. Capacitatea de cedare a electronilor de valenţă creşte odată cu mărirea numărului de nivele electronice (în grupă de sus în jos) şi scade o dată cu creşterea numărului de electroni de valenţă (în perioadă de la stînga spre dreapta). Cel mai activ metal este, respectiv, franciul. În acelaşi mod se modifică şi proprietăţile oxizilor şi hidroxizilor metalici. Ex: Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Rb 2 O, Cs 2 O, Fr 2 O LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, FrOH O dată cu creşterea gradului de oxidare a metalului în oxizi şi hidroxizi caracterul lor bazic slăbeşte. Ex: MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , MnO 3 , Mn 2 O 7 . Răspîndirea metalelor în natură. Metode de obţinere Marea majoritate a metalelor se întîlnesc în natură sub formă de compuşi cu alte elemente. Doar puţine metale se găsesc în natură în stare liberă – aşa numitele metale native. Aurul şi platina se întîlnesc aproape exclusiv în stare nativă, iar argintul şi cuprul se întîlnesc parţial în stare nativă; uneori se găsesc în stare nativă mercurul, staniul şi alte cîteva metale. Extracţia acestor metale se face prin spălarea lor mecanică de roca în care sunt incluse, de exemplu de separă prin spălare cu apă, fie prin extracţia lor cu diferiţi reactivi, urmată de separarea lor din soluţie. De exemplu , aurul poate fi separat prin metoda amalgamării, bazată pe proprietatea aurului de a

CARACTERISTICA GENERALĂ A METALELOR - chimie.usm.mdchimie.usm.md/wp-content/uploads/Caracteristica-generala-a-metalelor.pdf · 5 Electroliza soluţiilor apoase şi a topiturilor

  • Upload
    others

  • View
    20

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

1

CARACTERISTICA GENERALĂ A METALELOR

Metalele se deosebesc, în stare solidă, de toate celelalte substanţe (atît

simple, cît şi compuse) prin proprietăţi caracteristice, anume prin

conductibilitatea excepţional de mare pentru căldură şi electricitate, prin

opacitate aproape totală şi printr-o mare putere de reflexie a luminii vizibile,

prin aşa numitul luciu metalic. Acest lucru se obsevă însă, de obicei, numai

în cazurile în care metalul formează o masă compactă. Este d, că magneziul

şi aluminiul îşi păstrează luciul şi în stare de pulbere, dar majoritatea

metalelor în stare fin divizată sunt de culoare neagră sau cenuşie închisă.

Metalele se mai caracterizează prin faptul că nu formează decît în cazuri

extrem de rare amestecuri omogene cu substanţele nemetalice, în timp ce au

o mare tendinţă de a forma amestecuri între ele – aliaje. Aliajele au

deasemenea proprietăţi metalice.

Poziţia în Sistemul Periodic În SP metalele sunt aranjate în partea de jos din stînga faţă de diagonala

trasată de la bor la astatiniu şi în toate subgrupele secundare. Caracteristica

principală a atomilor de metale este prezenţa unui număr mic de electroni de

valenţă, care în procesul reacţiilor chimice sunt cedaţi. Capacitatea de cedare

a electronilor de valenţă creşte odată cu mărirea numărului de nivele

electronice (în grupă de sus în jos) şi scade o dată cu creşterea numărului de

electroni de valenţă (în perioadă de la stînga spre dreapta). Cel mai activ

metal este, respectiv, franciul.

În acelaşi mod se modifică şi proprietăţile oxizilor şi hidroxizilor

metalici.

Ex: Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Fr2O

LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, FrOH

O dată cu creşterea gradului de oxidare a metalului în oxizi şi hidroxizi

caracterul lor bazic slăbeşte.

Ex: MnO, Mn2O3, MnO2, MnO3, Mn2O7.

Răspîndirea metalelor în natură. Metode de obţinere Marea majoritate a metalelor se întîlnesc în natură sub formă de

compuşi cu alte elemente. Doar puţine metale se găsesc în natură în stare

liberă – aşa numitele metale native. Aurul şi platina se întîlnesc aproape

exclusiv în stare nativă, iar argintul şi cuprul se întîlnesc parţial în stare

nativă; uneori se găsesc în stare nativă mercurul, staniul şi alte cîteva metale.

Extracţia acestor metale se face prin spălarea lor mecanică de roca în

care sunt incluse, de exemplu de separă prin spălare cu apă, fie prin extracţia

lor cu diferiţi reactivi, urmată de separarea lor din soluţie. De exemplu, aurul

poate fi separat prin metoda amalgamării, bazată pe proprietatea aurului de a

2

se combina cu mercurul, formînd un aliaj lichid, din care se îndepărtează apoi

mercurul prin distilare. Un alt procedeu este cel de cianurare, care constă în

tratarea minereului cu o soluţie diluată de cianură de sodiu, în prezenţa

aerului, care oxidează aurul la starea monovalentă:

2Au + ½O2 + H2O + 4CN- = 2[Au(CN)2]

- + 2OH

-

Complexul format se descompune electrolitic sau cu granule de zinc;

acest metal precipită aurul, trecînd el însuşi într-o cianură complexă:

2[Au(CN)2]- + Zn = [Zn(CN)4]

2- + 2Au

Zincul în exces se îndepărtează apoi cu soluţie de acid sulfuric.

Majoritatea metalelor se extrag prin prelucrarea chimică a compuşilor

lor naturali.

Combinaţiile metalelor existente în natură mai mult sau mai puţin pure

se numesc minerale. Cînd mineralele conţin o cantitate suficient de mare de

metale încît extragerea lor să fie convenabilă din punct de vedere tehnico-

economic, ele se numesc minereuri. De exemplu, minereul de fier trebuie să

conţină cel putin 30% Fe, fie în oxizi, fie în carbonaţi; minereul de cupru

trebuie să conţină cel putin 2% Cu, în sulfuri sau oxizi. Aluminiul este foarte

răspîndit în natură (al 3-a loc) în numeroşi feldspaţi, mici, argile, acestea

însă nu prezintă minereuri de aluminiu, aşa cum obţinerea lui din aceste

minerale este foarte complicată şi nerentabilă din punct de vedere economic.

Extracţia metalelor din minereuri alcătuieşte obiectul metalurgiei, una din

cele mai vechi ramuri ale industriei chimice. Principalele minereuri ale

metalelor sunt oxizii, carbonaţii, sulfurile şi sărurile acizilor tari (cloruri,

sulfaţi, nitraţi).

Metodele generale de obţinere a metalelor se clasifică în:

procedeele pirometalurgice, care se caracterizează prin faptul că

folosesc temperaturi înalte. Astfel, prăjirea şi calcinarea sunt procedee

pirometalurgice;

procedeele electrochimice folosesc curentul electric. Ele se împart la

rîndul lor în două categorii: procedee electrotermice, cînd curentul

electric folosit serveşte drept sursă de căldură, şi procedee

electrochimice, cînd curentul electric are acţiune electrolitică asupra

soluţiei sau topiturii;

procedeele hidrometalurgice cuprind toate procedeele în care metalele

se obţin prin prelucrarea minereurilor cu soluţii apoase de reactivi

chimici. De exemplu, cuprul se poate extrage şi din minereuri mai

sărace de 2% Cu, prin metode hidrometalurgice, cum este tratarea cu

acid sulfuric; metalul trece în soluţie, de unde este apoi separat.

Prin metoda pirometalurgică sunt prelucrate minereurile ce conţin oxizi,

carbonaţi, sulfuri şi unele halogenuri ale metalelor.

3

Dintre oxizi, mai importanţi sunt: Fe2O3 hematitul; Fe3O4

magnetitul; 2Fe2O3·3H2O limonitul; Al2O3·2H2O bauxita; SnO2

casiteritul; MnO2 piroluzitul; FeO·Cr2O3 cromitul.

Dintre carbonaţi, mai importanţi sunt: FeCO3 sideroza;

CuCO3·Cu(OH)2 malahitul; MgCO3 magnezitul; BaCO3 witeritul.

Dintre sulfuri, mai importanţi sunt: PbS galena; ZnS blenda;

FeS2 pirita; CuS·FeS calcopirita; FeAsS mispichelul; HgS cinabrul;

Ag2S argentitul; Sb2S3 stibina.

Prelucrarea minereurilor ce conţin oxizi. Reducerea oxizilor. Oxizii

se reduc cu atît mai uşor cu cît căldurile lor de formare sunt mai mici. Drept

agenţi reducători se folosesc carbonul, hidrogenul şi unele metale.

Carbonul (sub formă de cocs, mai rar mangal) este unul din cei mai

buni reducatori folosiţi în metalurgie. În forma generalăa, ecuaţia pentru

reducerea unui oxid de metal divalent cu carbon este:

2MO + C = 2M + CO2

Carbonul fiind solid, contactul lui cu particulele de minereu nu este

prea strîns. În schimb, produsul oxidării sale, oxidul de carbon(IV), un gaz,

este agentul reducator în majoritatea cazurilor.

Hidrogenul este un reducător foarte activ, folosit mai ales în laborator,

de exemplu pentru reducerea oxidului de fier:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Metoda este întrebuinţată uneori şi în tehnica pentru obţinerea unor

anumite metale, de exemplu wolframul. Prin această metodă metalul se

obţine în forma fin divizată ca pulbere, cînd este foarte reactiv.

Metalele se folosesc ca agenţi de reducere în cazul cînd reducerea cu

carbune a oxizilor conduce la formare de carburi. Cel mai mult este folosit

aluminiul sub formă de pulbere, ca agent reducător al oxizilor de metale care

se topesc la temperaturi foarte ridicate, cum sunt Fe, V, Cr, Mn, W. Reacţia

dintre oxidul de metal şi aluminiul este puternic exotermă:

Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + Q

astfel încît temperatura se ridică la circa 2400°C. Metalul se topeşte şi se

separă de stratul de oxid de aluminiu rezultat din reacţie.

În locul aluminului se foloseşte uneori calciul sau magneziul. De

exemplu:

MoO3 + 3Ca = Mo + 3CaO

Prelucrarea carbonaţilor. Carbonaţii se calcinează, iar oxizii formaţi

se reduc la metal cu ajutorul coxului, hidrogenului sau a altor metale.

FeCO3 = FeO + CO2

FeO + H2 = Fe + H2O

4

Prelucrarea sulfurilor. Obţinerea metalelor din sulfuri se face prin

diferite metode.

Prăjirea sulfurilor, deşi este o operaţie premergătoare reducerii

oxizilor, ca în cazul sulfurii de cupru:

2CuS + 3O2 = 2CuO + 2SO2

poate conduce uneori direct la metal, de exemplu în cazul sulfurii de mercur:

HgS + O2 = Hg + SO2

În cazurile cînd prăjirea sulfurii este însoţită de formarea oxidului

metalului, acesta se reduce în continuare conform metodelor descrise mai sus.

Reducerea sulfurilor. Fierul este folosit la reducerea unor sulfuri, ca

de exemplu sulfura de cupru, de arsen sau de mercur:

CuS + Fe = FeS + Cu

Pe această reacţie se bazează procedeul cementării pentru obţinerea

cuprului din soluţii diluate în care se găseşte acest metal.

Disocierea termică a unor combinaţii. Disocierea termică a unor

combinaţii poate deveni o metodă de obţinere a unor elemente dacă la răcire

aceste elemente nu se recombină. De multe ori, această metodă conduce la

obţinere de elemente cu puritate înaltă.

1) Disocierea termică a oxizilor. Pentru ca disocierea termică a

oxizilor să devină o metodă de obţinere a metalelor, trebuie ca temperatura

de disociere să fie cît mai scăzută, respectiv căldura de formare a oxizilor să

fie cît mai mică. Un exemplu îl reprezintă disocierea termica a oxidului de

mercur (II):

2HgO = 2Hg + O2

2) Disocierea termică a halogenurilor. Halogenurile metalelor nobile

cînd sunt încălzite disociază uşor în componente. Un exemplu îl reprezintă

tetraclorura de platină:

PtCl4 = Pt + 2Cl2

Clorul fiind un gaz, se îndepartează şi ramîne platina în stare pură.

3) Procedeul van Arkel şi de Boer permite obţinerea unor metale în

stare foarte pură şi compactă. El se bazează pe faptul că iodurile volatile ale

cîtorva metale disociază termic în vid la temperaturi inferioare punctului de

topire a metalului. Astfel, dacă în vaporii de iodura respectivă se introduce o

sîrmă de wolfram încălzită la temperatura de disociere a iodurii şi punctul de

topire a metalului, metalul se depune pe sîrma încălzită formînd

monocristale, pe cînd iodul difuzează în spaţiul înconjurător. Filamentul

extrem de subţire de wolfram din interiorul baghetei de metal formate nu

reprezintă practic o impuritate.

Metoda se aplică la obţinerea metalelor Ti, Zr, Hf, Th.

5

Electroliza soluţiilor apoase şi a topiturilor. Unele metale se obţin

uşor din combinaţiile lor prin metode electrolitice de reducere. Electroliza se

efectuează în soluţii sau în topituri.

1) Electroliza soluţiilor apoase. Metalele care nu descompun apa se

pot separa din soluţii apoase pe cale electrolitică. Aceste metale sunt aşezate

după hidrogen în seria potenţialelor standard. Dintre metalele aşezate

înaintea hidrogenului, numai cele cu supratensiuni mari (Pb, Ni, Cd, Zn) se

pot obţine prin electroliza în soluţie. Separarea pe cale de electroliză a

metalelor din soluţii apoase este folosită în tehnică mai ales pentru

purificarea metalelor.

2) Electroliza electroliţilor topiţi. Metalele puternic electropozitive se

obţin de obicei în tehnica producţiei prin electroliza electroliţilor topiţi. În

modul acesta se fabrică aluminiul, sodiul, potasiul, calciul şi, în parte,

magneziul.

Topiturile oxizilor sau halogenurilor metalelor respective conţin

adaosuri care le scad punctul de topire şi le măresc conductibilitatea fără să

fie descompuse electrolitic în condiţiile respective ale electrolizei. Asemenea

substanţe se numesc fondanţi. Astfel, aluminiul se obţine industrial prin

electroliza oxidului de aluminiu, dizolvat în criolit, un fluoroaluminat de

sodiu, Na3[AlF6], topit. Temperatura topiturii este de circa 1000°C.

Sodiul se obţine industrial prin electroliza unui amestec de NaCl şi

CaCl2 (CaCl2 se topeşte la 600°C pe cînd NaCl se topeşte la 801°C).

Procedee hidrometalurgice. Obţinerea aurului, argintului prin metoda

de cianurare: metalul trece în soluţie sub formă de sulfat, de unde este apoi

separat.

2Ag + 4NaCN + H2O + ½O2 = 2Na[Ag(CN)2] + 2NaOH

Ag2S + 5NaCN + H2O + ½O2 = 2Na[Ag(CN)2] + 2NaOH + NaSCN

AgCl + 2NaCN = Na[Ag(CN)2] + NaCl

Proprietăţi fizice Metalele se deosebesc fundamental de celelalte substanţe, atît sub

formă elementară cît şi sub formă de combinaţii, principalele lor proprietăţi

fiind:

conductibilitate electrică mult mai mare decât a celorlalte substanţe şi

deosebită prin natura ei: trecerea curentului electric prin metale se face

fără transfer aparent de masă;

conductibilitatea termică a metalelor este mult mai mare decât a

celorlalte substanţe;

metalele sunt practic total opace, nepermiţând trecerea luminii nici

prin foiţe foarte subţiri;

6

metalele au luciu, datorită reflectării aproape totale a luminii. Din

această cauză majoritatea metalelor au culoarea alb-cenuşie, excepţie

făcînd Cu şi Au, care absorb în domeniul lungimilor de undă

corespunzătoare culorilor albastru, respectiv verde, de unde coloraţia

lor roşcată, respectiv galbenă;

metalele au rezistenţă mare la solicitările mecanice, dar sunt totuşi

deformabile. Ele sunt maleabile (pot fi trase în foi) şi ductile (pot fi

trase în fire subţiri).

Aceste proprietăţi variază mult de la un metal la altul. Proprietăţile

metalice tipice nu se manifestă decât în stare solidă sau lichidă, ele dispărând

complet în stare de vapori. Aceasta înseamnă că între atomii metalelor în

stare solidă sau lichidă există legături chimice puternice, care dispar în fază

gazoasă.

Conform poziţiei în tabelul periodic, metalele au un număr mic de

electroni pe stratul de valenţă. Din acest motiv, atomii metalelor nu îşi pot

completa octetul (structura gazului nobil care încheie perioada), deci nu pot

forma legături ionice (nu există anioni -5, -6, -7). Ţinând cont de faptul că în

structura unui cristal metalic fiecare atom are 8 sau 12 atomi vecini mai

apropiaţi, nu este posibilă formarea unor legături covalente normale (numărul

lor ar fi prea mare). Deoarece forţele de legătură sunt mult prea mari pentru a

fi atribuite forţelor slabe de legătură, rămîne deci existenţa unei noi forme de

legătură, legătură metalică.

Exista 2 teorii privind legătura metalică:

teoria gazului electronic (Drude şi Lorenz, 1900), conform căreia, toţi

electronii sau cea mai mare parte din electroni se comportă ca un gaz de

electroni comuni, în care este scufundată reţeaua formată din ioni pozitivi:

Această teorie explică conductibilitatea metalelor, dar nu explică de ce

aceasta scade cînd creşte temperatura şi nu arată de ce unele metale sunt

foarte bune conducătoare de electricitate, iar altele mai puţin bune, sunt chiar

semiconductoare (Ge, Sn).

teoria benzilor de energie, elaborată de mecanica cuantică (Fermi,

Sommerfeld, Bloch, Brillouin), care prevede că există o diferenţă între

7

distribuţia electronilor într-un atom izolat al unui metal şi distribuţia

electronilor în cristalul de metal. Atomii izolaţi ai unui metal au nivele

energetice distincte, iar ocuparea lor cu electroni se face în ordine crescândă

a energiilor lor, respectînd regulile lui Hund şi principiul excluziunii al lui

Pauli.

În metalul compact, atomii sunt apropiaţi între ei, astfel încât nivelele

lor energetice exterioare se pot combina dând orbitali moleculari. Se ştie că

numărul orbitalilor moleculari este identic cu numărul orbitalilor atomici din

care au provenit. La un număr foarte mare de atomi apropiaţi (cristalul

metalic) rezultă un număr tot aşa de mare de orbitali moleculari delocalizaţi

care se contopesc în benzi de energie. Astfel, din N orbitali atomici rezultă N

orbitali moleculari, care vor alcătui o bandă de energie a orbitalilor

delocalizaţi. Din N orbitali, N/2 vor fi orbitali moleculari de legătură, de

energie mai joasă şi N/2 vor constitui banda orbitalilor moleculari de

antilegătură de energie mai înaltă. Deci, într-un cristal metalic numai

electronii interiori sunt distribuiţi pe nivele discrete (bine determinate), iar

nivelele exterioare se contopesc în zone largi de energie, separate de zone

interzise, numite benzi de energie. În formarea benzilor de energie sunt

implicaţi orbitalii de tip s şi p ai ultimului strat pentru metalele

reprezentative, orbitalii de tip d ai penultimului strat şi orbitalii s şi p (iar

uneori şi d) ai ultimului strat pentru metalele tranziţionale.

Banda energetică formată din orbitali moleculari de legătură constituie

banda de valenţă, ocupată cu electroni. Banda energetică formată din orbitali

moleculari de antilegătură constituie banda de conducţie, neocupată cu

electroni.

Fiecare nivel de energie din banda de valenţă este ocupat, în starea

fundamentală, la 0K, de doi electroni. La temperatură mai înaltă decât 0K,

8

o parte din electronii din banda de valenţă trec în banda de conducţie. Aceştia

asigură conducerea curentului electric prin metal. Conductor

Diferenţa dintre banda de valenţă şi banda de conducţie (EG) determină

proprietăţile conductoare, semiconductoare sau izolatoare ale substanţei:

La elementele tranziţionale, două benzi de valenţă pot avea energii

aproape egale, ceea ce duce la întrepătrunderea lor (de exemplu benzile 3d şi

4s, ale cuprului metalic). Cu cît benzile de valenţă ale unui metal sunt mai

largi şi cu cât ele se întrepătrund mai mult (întrepătrunderea fiind favorizată

cînd razele atomice sunt mici) cu atît legătura dintre atomi în reţeaua metalică

este mai puternică, metalul este mai dur şi mai rezistent la acţiuni mecanice.

Interpretarea proprietăţilor metalelor. Luciul, opacitatea şi culoarea metalelor se datorează electronilor

liberi din metal. Puterea mare de a reflecta lumina se datorează electronilor

"liberi" din metal şi nu celor localizaţi la atomi. În stare compactă, sub formă

de blocuri, bare, plăci, fire, granule, metalele din grupele principale ale

sistemului periodic au culoare alb-argintie, numai cesiul este alb-auriu,

beriliul cenuşiu-deschis, germaniul alb-cenuşiu şi modificaţia α-Sn este

cenuşie. Metalele tranziţionale sunt în majoritate albe-cenuşii. Cuprul este

roşu-arămiu şi aurul galben-auriu. În stare fin divizată, metalele au culoare

cenuşie-închis sau neagră. Cuprul şi aurul îşi păstrează culoarea şi sub formă

de pulberi. Culoarea alb-argintie sau cenuşie a metalelor este determinată de

faptul că ele absorb toate radiaţiile din domeniul vizibil. Cuprul însă absoarbe

mai puternic lumina verde, iar aurul lumina albastră, fapt ce determină

culorile lor specifice. 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.

9

Metalele nu permit trecerea radiaţiilor luminoase, sunt opace, deoarece

electronii de valenţă din benzile de energie absorb toată energia luminoasă.

Metalele în stare pură, neoxidate şi cu suprafaţa netedă reflectă lumina,

prezentând luciu metalic. Luciul metalic apare la metalele în stare compactă.

Magneziul şi aluminiul sunt singurele metale care au luciu metalic şi în formă

de pulbere.

Conductibilitatea electrică, respectiv curgerea de electroni sub

acţiunea unei diferenţe de potenţial, are loc cel mai uşor atunci când banda de

valenţă este numai pe jumătate ocupată cu electroni; aceasta se întîmplă la

metalele alcaline şi la Cu, Ag şi Au. Metalele din grupa Ib sunt mai bune

conducătoare decît cele din grupa Ia, din cauză că atomii lor au volume mai

mici; reţeaua de ioni metalici este mai compactă şi norul electronic mai dens.

Metalele în care stratul de valenţă s este complet ocupat cu electroni

(metalele din grupa IIa şi IIb) conduc curentul mai puţin bine.

Conductibilitatea electrică a metalelor este micşorată de orice

dezordine care apare în reţea, în primul rînd de orice impurităţi (atomi sau

ioni de metale străine) incluse în reţeaua metalică (de exemplu impurităţile

în cupru îi reduc mult conductibilitatea electrică, iar nichelina pentru

rezistenţe electrice este un aliaj cupru - nichel). În acelaşi mod vibraţia

atomilor în jurul poziţiilor de echilibru din reţea constituie o imperfecţiune a

reţelei reale, faţă de cea ideală. Deoarece prin creşterea temperaturii,

oscilaţiile atomilor se intensifică, conductibilitatea electrică a metalului

scade. La răcire, fenomenul este invers: oscilaţiile atomilor în jurul poziţiilor

lor din reţeaua cristalină slăbesc, deci conductibilitatea electrică a metalului

creşte. Aproape de zero absolut (la -273°C), metalele îşi pierd complet

rezistenţa electrică şi devin conductori „ideali”. Acest fenomen se numeste

supraconductibilitate.

Rezistenţa electrică specifică sau rezistivitatea reprezintă rezistenţa pe

care o opune curentului electric o porţiune din metal cu o secţiune de 1 cm2

şi o lungime de 1 cm şi se exprimă în Ω·cm. La 20C, rezistenţa electrică

specifică a argintului este 1,62·106

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. De aceea, pentru rezistenţe electrice se folosesc aliaje şi nu metale

pure. Astfel, pe cînd 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.

Conductibilitatea termică mare a metalelor se explică de asemenea

prin uşurinţa mişcării electronilor în stratul de valenţă. Într-un solid

neconducător, încălzit la un capăt, căldura se transmite la capătul rece pînă la

10

egalizare prin mişcările vibratorii ale metalelor. La metale, electronii transmit

rapid energia de la atomii "calzi" la cei "reci".

Conductibilitatea termică a metalelor 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

·grad-1

. Dintre metale, cea mai

mare conductivitate termică posedă argintul (4,1 J·cm-1

·s-1

·grad-1

), cuprul

(3,9 J·cm-1

·s-1

·grad-1

), aurul (3 J·cm-1

·s-1

·grad-1

) şi aluminiul (2,1 J·cm-1

·s-

1·grad

-1); cea mai slabă conductivitate termică o au plumbul (0,13 J·cm

-1·s

-

1·grad

-1) şi mercurul (0,08 J·cm

-1·s

-1·grad

-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.

Densitatea metalelor variază în limite largi; de exemplu, litiul are

densitatea 0,53 sau potasiul are densitatea 0,86, pe cînd platina are densitatea

21,45, iar osmiul, cel mai greu metal, are densitatea 22,5. Se obişnuieşte să

se considere metalele cu densitatea mai mică decît 5, metale uşoare, iar cele

cu densitatea peste 5, metale grele. Astfel, potasiul, sodiul, calciul,

magneziul, aluminiul sunt considerate metale uşoare, pe cînd zincul, staniul,

fierul, cuprul sunt metale grele.

Punctul de topire variază foarte 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, sodiul la 97,8°C). Cel

mai greu fuzibil metal este wolframul, care se topeşte la 3410°C. În general,

metalele cu volum atomic mic se topesc la temperaturi ridicate, pe cînd

metalele cu volum atomic mare se topesc la temperaturi scăzute, deoarece

reţeaua lor cristalină se distruge mai uşor. Variaţia punctelor de topire ale

elementelor cu caracter metalic poate fi atribuită şi numărului diferit de

electroni prin care elementul participă la formarea legăturilor metalice. De

regulă, metalele din subgrupele principale sunt mult mai uşor fuzibile decît

cele din subgrupele secundare.

Diferenţa între punctele de topire a metalelor este folosită pentru

separarea metalelor între ele, la fabricarea aliajelor şi la prelucrarea

metalelor.

Temperaturile de fierbere ale metalelor sunt în majoritatea cazurilor

foarte ridicate, variind între 357,4C la Hg şi 5930,16C la W, prezentînd, în

general, aceleaşi tendinţe ca şi punctele de topire. Pentru toate metalele

căldura de vaporizare este mult mai mare decît căldura de topire, ceea ce

înseamnă că între starea lichidă şi cea de vapori a metalelor există o

diferenţă mult mai mare din punct de vedere energetic decît între stările

lichidă şi solidă. Căldura de vaporizare are valori mai mari pentru metalele

11

tranziţionale (metalele d) şi mai mici pentru metalele de tip s şi p, maximele

fiind atinse la elementele din grupele Vb şi VIb. Căldurile de vaporizare

mari, caracteristice metalelor, indică faptul că în stare lichidă sunt prezente

încă legăturile metalice, iar energia relativ mică, necesară trecerii unui metal

din starea solidă în stare lichidă, este justificată de faptul că în această

transformare sunt distruse un număr relativ mic de legături. Pe de altă parte,

energia mult mai mare necesară trecerii din stare lichidă în starea de vapori

este justificată de faptul că această transformare impune distrugerea marii

majorităţii a legăturilor pentru a permite trecerea metalului în stare atomică

sau sub formă de agregate mici în stare de vapori.

Proprietăţile magnetice ale metalelor sunt diferite. Unele metale se

magnetizează puternic, păstrînd magnetismul şi după îndepărtarea cîmpului

magnetic inductor. Aceste metale se numesc feromagnetice (Fe, Co şi Ni).

Alte metale au proprietăţi magnetice slabe, fără a păstra aceste proprietăţi

după îndepărtarea cîmpului magnetic inductor. Ele se numesc

paramagnetice. Din această grupă fac parte majoritatea metalelor

tranziţionale. Metalele care nu se magnetizează, deci sunt respinse de un

cîmp magnetic exterior, se numesc diamagnetice (Cu, Ag, Au, Sn, Pb).

Proprietăţile mecanice indică modul de comportare a metalelor sub

acţiunea diferitor forţe exterioare. Dintre proprietăţile mecanice deosebim

rezistenţa mecanică, elasticitatea, plasticitatea, maleabilitatea, ductilitatea,

tenacitatea, fluajul, duritatea etc.

Rezistenţa mecanică constă în împotrivirea metalelor la acţiunea

forţelor exterioare care tind să le rupă. Dintre solicitările mecanice la care

pot fi supuse metalele, deosebim tracţiunea (întinderea), compresiunea,

încovoierea şi răsucirea (torsiunea).

Elasticitatea este proprietatea metalelor de a reveni la forma şi

dimensiunile iniţiale după încetarea acţiunii forţelor exterioare care au

produs deformarea. Majoritatea metalelor sunt plastice, putînd fi uşor

prelucrate la cald sau la rece prin operaţii de forjare, laminare, ambutisare

etc.

Plasticitatea este proprietatea metalelor de a se deforma sub acţiunea

forţelor exterioare, fără a se fisura sau sfărîma, fără a-şi schimba volumul şi

fără a reveni la forma iniţială. Aurul este cel mai plastic metal, după care

urmează: Ag, Pt, Mg, Al, Pb, Sn, Nb, Ta, Hf şi Cu. Unele metale au

plasticitate redusă, sunt casante şi nu pot fi prelucrate sub presiune: Ti, Cr,

-Mn, Zn tehnic, Ge, Zr, Sb, Ru, Os, Ir, U (impur).

Tenacitatea este proprietatea metalelor de a rezista mai mult timp la

diferite eforturi, deformîndu-se mult înainte de rupere. Cea mai mare

tenacitate, sau rezistenţă la rupere, revine în ordine descrescătoare metalelor:

W, Mo, Ta, Zr, Nb, Ti, Th, Co, Ni, Pd, Fe, Cu, Ag, Au, Al, iar cea mai mică

12

tenacitate o au Bi, Tl, Pb, In, Ga şi Sn. Aceste metale se rup fără să se

deformeze şi se numesc metale casante.

Maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras în foi prin

comprimare la o temperatură inferioară punctului de topire. Unele metale

cum sunt: Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni şi Ta pot fi prelucrate în foi subţiri de

ordinul micronilor (1μm = 10-6

m) şi anume:

Au - 0,08 m Al - 0,6 m Cu – 2,6 m Ta- 40 m

Ag - 0,1 m Pt – 2,5 m Ni - 208 m

Se laminează uşor la rece: Mg, Sr, La, Tl, Ti, Zr, Hf, Sn, Pb, Nb, Ta,

Mo, Fe, Ca, Pd, Ir şi Tb. Zincul este maleabil şi se laminează între 0 -

150C, bismutul între 30 - 250C, iar radiul între 800 - 900C. Galiul este

foarte puţin maleabil, iar beriliul, deşi nu este casant, nu se poate lamina.

Maleabilitatea 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 pînă la o

anumită temperatură, după care scade şi metalele devin casante. Creşterea

maleabilitaţii cu temperatura se datorează slăbirii coeziunii dintre cristale,

iar scăderea ei este cauzată de formarea unor pelicule de oxid între cristale.

Există şi alti factori care influenţează maleabilitatea cristalelor.

Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras în fire prin

procesul de trefilare. Cele mai ductile metale sunt: Au, Ag, Pt, Ni şi Ta. De

exemplu din un gram de aur sau argint se pot trage fire de 2000 m, respectiv

1800 m. Se trefilează uşor şi Mo, Zr, Nb, Co, Fe, Cu, Al, Sr, La, Th şi U. Un

număr mic de metale cum sunt Be, In, Pb, Tl şi Ti nu se pot trefila.

Duritatea reprezintă rezistenţa opusă de metale la zgîrîerea sau

pătrunderea unui corp şi se exprimă convenţional cu valori de la 1-10 în

scara mineralogică Mohs1 sau în unităţi Brinell

2 (kg/mm

2). Metalele cu

duritatea cea mai mare sunt: Cr (8,5), W (7,5), Re (7,0), Os (7,0) şi V (7,0),

urmate de Ir (6,5), Ta (6,5), Ru (6,5) ş.a., iar cu duritatea cea mai mică sunt

Cs (0,2), urmat de Rb (0,3), Na (0,4), K (0,5), Li (0,6) ş.a., care pot fi tăiate

chiar cu cuţitul.

1 Scara Mohs a durităţii a fost gândită şi inventată în anul 1812 de mineralogul german Friedrich Mohs, care vroia să aranjeze mineralele

astfel încât acestea pot fi identificate mai uşor. Duritatea unui mineral este măsura rezistenţei sale la zgîriere. Se stabileşte zgîriind un

mineral cu o serie de alte minerale a căror duritate este deja cunoscută. Scara Mohs oferă o măsură de comparație de la 1 (moale) la 10

(dur). Pînă la 9 este liniară, dar diamantul (10) este de circa 10 ori mai dur decît corindonul.

Este o scară relativă, care nu permite aprecierea precisă a diferenţei de duritate între două materiale. De exemplu, dacă un material

oarecare poate să zgârie de exemplu fluorina, dar nu şi apatitul, duritatea sa pe scara Mohs este între 4 şi 5 (convenţional 4,5). Conform

scării Mohs duritatea unei unghii umane este de 2,5, aurul şi argintul în stare pură au duritatea între 2,5 şi 3, monedele de cupru au

duritatea 3, lamele de cuţit - 5,5, sticla 6-7 etc. 2 Metoda Brinell de determinare a durităţii propusă de inginerul suedez Johan August Brinell în 1900, a constituit prima metodă de

determinare a durităţii metalelor, standardizată şi folosită larg în inginerie şi în metalurgie. Duritatea Brinell se determină prin apăsarea cu

o anumită forţă a unei bile de oţel dur de diametru specificat (de obicei 10 mm), pe suprafaţa materialului şi apoi măsurarea diametrului

urmei (amprentei) rămase pe material.

13

Aliaje

Deşi numărul metalelor este relativ mare, sunt totuşi insuficiente spre a

se satisface prin proprietăţile lor nevoile tehnicii moderne. Practic s-a

constatat că prin adăugarea la metalele pure a anumitor substanţe (oxizi,

carburi) sau a altor metale, nemetale sau semimetale, se obţin amestecuri cu

proprietăţi fizico-chimice superioare. Aceste amestecuri cu proprietăti

metalice, constituite din două sau mai multe elemente, dintre care cel puţin

elementul predominant este un metal poartă denumirea de aliaje. Aliajele

pot fi formate din două metale (aliaje binare), din trei metale (aliaje ternare),

din patru metale (aliaje cuaternare) sau mai multe metale (aliaje polinare).

Majoritatea aliajelor în stare topită se amestecă în orice proporţie, dar unele

metale sau semimetale nu se amestecă în stare topită cu alte metale. De

exemplu: Al cu Pb, Ag cu Fe, Te cu Pb. Unele metale se dizolvă la topire

numai într-o anumită proporţie. De exemplu, Zn şi Pb topite împreună dau

un amestec omogen, dar lăsate în repaus formează două straturi: stratul

inferior, mai dens, este format din plumb ce conţine puţin zinc, iar stratul

superior este format din zinc care conţine o anumită cantitate de plumb.

Proprietatea metalelor de a se dizolva în alte metale este o consecinţă a

particularităţilor structurii lor cristaline. Existenţa unui deficit de electroni în

banda de valenţă a unui cristal metalic determină proprietatea acestuia de a

accepta un anumit număr de electroni suplimentari fără modificarea

structurii şi a proprietăţilor metalice ale cristalului. Ca urmare, solubilitatea

metalelor într-un metal dat depinde de concentraţia electronilor exteriori,

înţelegând prin aceasta raportul dintre numărul total al electronilor exteriori

şi numărul total de atomi din cristal. Se poate lua ca exemplu solubilitatea în

argint (pentru care configuraţia electronilor exteriori sl este egală cu

unitatea) a unor metale cu configuraţii electronice diferite:

Elementul Ca In Sn Sb

Electroni de valenţă s2

s2p

1 s

2p

2 s

2p

3

Solubilitatea maximă, %

atomice

40 20 13,3 10

Concentraţia electronilor în banda de valenţă a unui cristal de argint

poate să crească pe seama electronilor care provin de la alte elemente la

maximum 1-4, ceea ce corespunde la un conţinut maxim al unui element dat

într-o soluţie solidă cu argintul. Se ajunge la concluzia că solubilitatea

diferitelor metale în argint este de aşteptat să scadă cu creşterea numărului

electronilor exteriori ai acestora, aşa cum rezultă şi din tabelul de mai sus.

La dizolvarea Au în Ag concentraţia electronilor exteriori nu se modifică şi

ca urmare cele două elemente pot forma o serie continuă de soluţii solide.

14

Aliajele se caracterizează în general prin proprietăţi calitativ superioare

faţă de cele corespunzătoare elementelor componente. Temperatura de topire

a aliajelor este de foarte multe ori inferioară componentei mai uşor fuzibile.

Duritatea şi rezistenţa aliajelor sunt de obicei mai mari decât ale

componentelor. Datorită acestor calităţi cât şi a altora, aliajele reprezintă

materiale mult mai solicitate în tehnica modernă decât metalele în stare pură.

Proprietăţi chimice Proprietăţile chimice fundamentale ale elementelor în general şi ale

celor cu caracter metalic în special sunt: starea de oxidare şi caracterul lor

electrochimic.

Starea de oxidare este o proprietate care variază în anumite limite în

funcţie de natura elementului considerat.

Pentru elementele metalice de tip s şi p, starea de oxidare este în

general dată de numărul grupei din care face parte elementul, şi cu puţine

excepţii, aceasta reprezintă unica valenţă a elementului respectiv.

Pentru metalele tranziţionale de tip d, starea de oxidare prezintă o

gamă mult mai mare de valori - cea maximă fiind dată de numărul grupei (cu

unele excepţii: subgrupa Ib şi VIIIb) - ca o consecinţă a particularităţilor

structurii lor electronice.

În ceea ce priveşte stabilitatea relativă a diverselor stări de oxidare

manifestate de un element dat se constată următoarele tendinţe:

• pentru metalele de tip s şi p stabilitatea stării de oxidare superioare

scade în grupă de sus în jos ca o consecinţă a efectului perechii de electroni

inerţi (ex. TlI mai stabil ca Tl

III);

• pentru metalele tranziţionale se constată o variaţie inversă,

stabilitatea stării de oxidare superioare creşte în grupă o dată cu creşterea

numărului de ordine. Această variaţie se atribuie faptului că în trecerea de la

prima la a doua, respectiv a treia serie de metale tranziţionale, separarea

energetică între orbitalii ns şi (n - 1)d descreşte şi electronii periferici sunt

mai slab atraşi de nucleu pe măsură ce creşte volumul atomului.

Din considerente energetice, se poate afirma că elementele nu pot

exista în soluţie sub forma unor ioni monoatomici în stări de oxidare mai

mari de trei. În astfel de stări de oxidare elementele pot exista în soluţie

apoasă numai sub formă de ioni complecşi. Pentru compuşii în stare solidă

nu există astfel de restricţii, deoarece sarcina mare a ionului metalic este

neutralizată de anionii din imediata vecinătate.

Stările de oxidare superioare ale elementelor se realizează în general în

combinaţii de tipul fluorurilor şi oxizilor, deci în combinaţii de elemente cu

pronunţat caracter electronegativ.

15

Caracterul electrochimic al metalelor este o măsură directă a tendinţei

acestora de a forma ioni în soluţie. Numeric, această tendinţă este apreciată

prin valoarea potenţialelor normale (standard) ale metalelor. Potenţialul de

electrod standard, potenţial redox sau potenţial electrochimic este forţa

electromotoare (FEM) care se stabileşte între un metal aflat la 298 K, într-o

soluţie a ionilor săi de concentraţie 1M în raport cu electrodul normal de

hidrogen considerat convenţional, ca având potenţialul standard egal cu zero

volţi.

După A.Volta şi N.M. Beketov, metalele pot fi aranjate în raport cu

valorile potenţialelor standard într-o serie numită seria tensiunilor metalelor

în scara de hidrogen (ε° = 0 volţi), sau seria potenţialelor electrochimice:

Li Cs, K Ba, Ca Na Mg Al Zn Pb Cr Fe Co Ni Sn Pb H Sb Cu Hg Ag Au Pt

În urma studierii reacţiilor (redox) de substituţie a unor elemente mai

puţin active din combinaţiile lor, cu ajutorul altor elemente, mai active din

punct de vedere chimic s-a ajuns la următoarea clasificare a metalelor:

16

Astfel din reacţiile:

Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu

Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 sau Zn0 + 2H

+ Zn

2+ + H2

0

rezultă că fierul şi zincul sunt mai active şi deplasează din combinaţiile lor,

cuprul şi hidrogenul, elemente mai puţin active.

Metalele sunt aşezate în serie în ordinea descrescătoare a capacităţii

de a ceda electroni, caracterului reducător, oxidabilităţii, reactivităţii

chimice, sau în ordinea crescătoare a stabilităţii chimice. Cu cît metalul este

aşezat mai mult la începutul seriei, cu atît cedează mai uşor electroni de

valenţă trecînd la ioni, adică este mai activ; acceptarea electronilor de către

ioni, adică refacerea atomilor din ioni, este cu atît mai accentuată cu cît

metalul se găseşte aşezat mai la sfîrşitul seriei.

Potrivit poziţiei lor faţă de hidrogen, metalele prezintă proprietăţi

caracteristice, ilustrate în tabelul de mai sus. Aşa spre exemplu litiul,

elementul cel mai puţin electropozitiv din grupa metalelor alcaline are un

potenţial redox neobişnuit de mare, din cauza energiei de hidratare foarte

mari a ionului Li+, caracterizat printr-un volum ionic mic. Potenţialul de

electrod al unui metal depinde de concentraţia lui în soluţie, conform

ecuaţiei Nernst. Un metal va acţiona deci ca un reducător cu atât mai

puternic, cu cât concentraţia ionilor lui în soluţie este mai mică şi invers.

Proprietăţile electrochimice ale metalelor şi fenomenele de oxido-

reducere stau la baza procesului de rafinare electrochimică a metalelor,

permiţând explicarea fenomenelor de coroziune şi a funcţionării surselor

chimice de curent.

17

Combinarea metalelor cu oxigenul se face cu atît mai energic cu cît

metalul este aşezat mai la începutul seriei. Astfel:

1. potasiul, calciul, sodiul, se oxidează direct în aer, la temperatură

obişnuită;

2. metalele de la magneziu pînă la plumb se oxidează în aer la încălzire;

3. 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 cît oxidarea se face mai energic, cu atît oxidul rezultat este mai

stabil şi deci mai greu redus de hidrogen. De exemplu, pe cînd 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 însa la metale, cînd au mai mulţi

oxizi, cel puţin un oxid este bazic.

În compuşii oxigenaţi ai metalelor (oxizi şi hidroxizi) se manifestă

vădit asemănarea în interiorul diferitor familii şi diferenţele între familiile

elementelor. Astfel, la metalele de tip s toţi oxizii şi hidroxizii (cu excepţia

compuşilor beriliului) au proprietăţi bazice, la metalele de tip p – proprietăţi

amfotere sau acide, la metalele d – proprietăţile acestor compuşi depind mult

de gradul de oxidare al metalului. De exemplu în seria compuşilor

manganului se observă clar intensificarea proprietăţilor acide ale oxizilor şi

hidroxizilor odată cu creşterea gradului de oxidare al metalului:

MnO, Mn2O3

Mn(OH)2, Mn(OH)3

bazice

MnO2

Mn(OH)4 sau

H2MnO3

amfotere

(MnO3), Mn2O7

(H2MnO4), HMnO4

acide

Compuşii MnO3 şi H2MnO4 nu există în realitate, însă sunt cunoscute sărurile acidului manganic –

manganaţii.

În subgrupele principale de sus în jos cresc proprietăţile bazice ale

oxizilor şi hidroxizilor (cresc razele ionice ale metalelor şi scad valorile

potenţialelor de ionizare). În subgrupele secundare (elementele d şi f) se

observă o dependenţă inversă.

18

În perioade de la stînga spre dreapta cresc proprietăţile acide şi scad

cele bazice ale oxizilor şi hidroxizilor. În calitate de exemplu poate fi

prezentat şirul de elemente de la începutul perioadei IV:

K2O, CaO

KOH, Ca(OH)2

bazice

Sc2O3, TiO2

Sc(OH)3,

Ti(OH)4

amfotere

V2O5, CrO3, Mn2O7

HVO3, H2CrO4 (H2Cr2O7),

HMnO4

acide

De aici se observă clar trecerea de la compuşii tipic bazici spre

compuşii amfoteri, apoi acizi. Caracterul legăturii chimice în oxizi de

asemenea variază treptat: în oxizii bazici legăturile sunt ionice sau puternic

polare, ceea ce se răsfrînge asupra stabilităţii, durităţii şi temperaturilor de

topire. Oxizii superiori la aşa metale ca cromul şi manganul, care au

proprietăţi acide, se caracterizează prin prezenţa în reţelele lor cristaline a

legăturilor covalente, din care cauză aceste substanţe sunt fragile. În mod

corespunzător şi în produsele de interacţiune a oxizilor cu apa – în hidroxizi

– metalul cu oxigenul este legat diferit. În hidroxizii bazici metalul cu

oxigenul este legat prin legătură ionică, însă hidrogenul cu oxigenul – prin

legătură covalentă. În hidroxizii acizi, invers, legătura metalului cu oxigenul

este covalentă, iar legătura dintre hidrogen şi oxigen este ionică sau puternic

polară. Caracterul legăturii metal – oxigen foarte mult depinde de gradul de

oxidare al metalului, ceea ce se observă în seria:

KOH, Ca(OH)2

Baze puternice

Sc(OH)3,

Ti(OH)4,

TiO(OH)2

Hidroxizi

amfoteri

HVO3, H2CrO4 (H2Cr2O7),

HMnO4

Acizi

Aceeaşi regularitate se manifestă şi în compuşii unuia şi aceluiaşi

metal cu grade de oxidare diferite (exemplificat mai sus pe oxizii

manganului).

După aşezarea metalelor în seria tensiunilor faţă de hidrogen rezultă

comportarea lor diferită. Metalele aşezate înaintea hidrogenului îl pot înlocui

în combinaţii, deoarece atomii lor cedează electroni mai uşor decît atomii de

hidrogen; cu cît metalul este aşezat mai departe de hidrogen, cu atît îl

înlocuieşte mai energic.

19

Hidrogenul din apă este substituit numai de metalele active şi doar în

cazul cînd se formează hidroxizi solubili în apă. În cazul formării

compuşilor puţin solubili, dar majoritatea hidroxizilor sunt insolubili în apă,

suprafaţa metalului se acoperă cu un strat protector de hidroxid care

protejează metalul de acţiunea ulterioară a apei şi reacţia nu mai decurge sau

decurge foarte lent.

Astfel, metalele alcaline şi alcalino-pămîntoase înlocuiesc energic

hidrogenul din apă chiar la temperatura obişnuită:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

Magneziul şi aluminiul descompun apa la încălzire sau după

înlăturarea peliculei protectoare de Al2O3:

Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

Beriliul cu apa nu interacţionează.

Metalele situate în seria tensiunilor după aluminiu şi pînă la hidrogen

interacţionează cu vaporii de apă formînd oxid de metal şi hidrogen:

3Fe + 4H2O(vapori) = Fe3O4 + 4H2

2Cr + 3H2O(vapori) = Cr2O3 + 3H2

Metalele plasate în seria tensiunilor după hidrogen nu-l înlocuiesc din

apă, deoarece atomii lor cedează mai greu electronii decît 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. Interacţiunea

metalelor cu acizii depinde de mai mulţi factori, dintre care mai importanţi

sunt următorii:

1. activitatea metalului;

2. natura acidului (restului acid);

3. condiţiile în care se desfăşoară reacţia (concentraţia acidului,

temperatura).

La interacţiunea metalelor cu soluţiile diluate de acizi (cu excepţia

acidului azotic diluat) metalul joacă rolul de reducător, iar în calitate de

oxidant serveşte ionul de hidrogen H+ al acidului. La aşa categorie de acizi

se referă acizii neoxigenaţi (HCl, HBr, HI etc.) sau acizii ce conţin anioni

stabili (H3PO4, H2SO4(dil.)). În aceşti acizi se dizolvă numai metalele ce

posedă proprietăţi reducătoare puternice, potenţialul redox al cărora este mai

mic decît potenţialul electrodului de hidrogen 2H+/H2, adică metalele plasate

în seria tensiunilor pînă la hidrogen. Reacţia decurge cu degajare de

hidrogen. De exemplu:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

Fe + H2SO4(dil.) = FeSO4 + H2

20

În unele cazuri particulare în rezultatul interacţiunii metalelor cu acizii

diluaţi se formează produşi greu solubili, care formează pelicule protectoare

pe suprafaţa metalului şi reacţia repede se opreşte. Astfel plumbul se dizolvă

slab atît în acidul clorhidric, cît şi în acidul sulfuric diluat, fiindcă pe

suprafaţa lui se depun clorura şi sulfatul de plumb insolubili.

Pentru dizolvarea în soluţiile diluate ale acizilor susnumiţi a metalelor

plasate în seria tensiunilor după hidrogen este necesară prezenţa unui alt

oxidant, potenţialul redox al căruia să depăşească potenţialul redox al

metalului în mediu acid. De exemplu, cuprul se poate dizolva în soluţie de

acid clorhidric în prezenţa oxigenului:

2Cu + O2 + 4HCl = 2CuCl2 + 2H2O

În acest caz acidul joacă doar rolul de mediu şi nu participă la procesul

redox.

Proprietăţile oxidante ale acizilor condiţionate de anionul de rest acid

se manifestă mai divers aşa cum în majoritatea cazurilor nemetalul ce intră

în compoziţia restului acid se poate reduce pînă la diferite grade de oxidare.

În acidul sulfuric concentrat rolul de oxidant îl îndeplineşte ionul SO42-

şi reducerea lui poate decurge conform următoarelor reacţii:

SO42

+ 4H+ + 2e

- = SO2 + 2H2O

SO42

+ 8H+ + 6e

- = S + 4H2O

SO42

+ 10H+ + 8e

- = H2S + 4H2O

Gradul de reducere a sulfului din ionul sulfat depinde de natura

reducătorului, adică în cazul reacţiei acidului sulfuric concentrat cu metalele

– de natura metalului. Unele metale plasate în seria tensiunilor după

hidrogen (Cu, Ag) interacţionează cu acidul sulfuric concentrat cu formare

de oxid de sulf(IV) SO2:

Cu + 2H2SO4(conc.) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

pe cînd la interacţiunea cu metalele mai active, plasate în serie pînă la

hidrogen, se poate forma un amestec alcătuit din mai mulţi produşi – SO2, S,

H2S.

3Cu + 4H2SO4(conc.) = 3CuSO4 + S + 4H2O

4Cu + 5H2SO4(conc.) = 4CuSO4 + H2S + 4H2O

Deoarece în amestec prevalează unul din aceşti produşi, natura lui se

determină în baza observaţiilor experimentale.

În mod specific decurge reacţia de interacţiune a metalelor cu acidul

azotic, pentru care, identic cazului acidului sulfuric concentrat, rolul de

oxidant îl joacă ionul NO3, potenţialul redox al căruia este mai mare decît

cel al electrodului de hidrogen indiferent de concentraţia acidului.

Reducerea ionului NO3 poate decurge în următoarele moduri:

NO3 + 1e

- + 2H

+ = NO2 + H2O

21

NO3 + 3e

- + 4H

+ = NO + 2H2O

2NO3 + 8e

- + 10H

+ = N2O + 5H2O

2NO3 + 10e

- + 12H

+ = N2 + 6H2O

NO3 + 8e

- + 10H

+ = NH4

+ + 3H2O

Gradul de reducere al ionului nitrat depinde de concentraţia acidului,

precum şi de potenţialul redox al metalului. Cu cît este mai mare

concentraţia acidului, cu atît mai slab se reduce ionul NO3.

În rezultatul reacţiei acidului azotic concentrat cu metalele de regulă se

degajă oxidul de azot(IV) NO2 indiferent de activitatea metalului. De

exemplu:

Zn + 4HNO3(conc.) = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Cu + 4HNO3(conc.) = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

Metalele pentru care este caracteristic grad de oxidare înalt, în

rezultatul interacţiunii cu acidul azotic concentrat formează acizi oxigenaţi,

de exemplu:

Sn + 4HNO3(conc.) H2SnO3 + 4NO2 + H2O

Re + 7HNO3(conc.) HReO4 + 7NO2 + 3H2O

În cazul acidului azotic diluat produsul de interacţiune cu metalele

depinde de activitatea metalului: cu cît acesta este mai activ, cu atît mai

puternic se reduce azotul din ionul nitrat. În rezultatul interacţiunii acidului

azotic diluat cu metalele se formează apă, nitrat de metal şi, în dependenţă

de activitatea metalului, NO, N2O, N2, NH4+. De exemplu:

3Cu + 8HNO3(dil.) = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

4Zn + 8HNO3(dil.) = 3Zn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

4Zn + 10HNO3(dil.) = 4Zn(NO3)2 + N2O + 5H2O

5Zn + 12HNO3(dil.) = 5Zn(NO3)2 + N2 + 6H2O

4Zn + 10HNO3(dil.) = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

Identic interacţiunii metalelor cu acidul sulfuric concentrat, produsul

care se formează poate fi stabilit doar pe cale experimentală.

REMARCĂ: aluminiul, cromul şi fierul se pasivează în acid azotic

concentrat şi sulfuric concentrat.

În rezultatul acţiunii asupra metalelor a unui amestec de acizi, în care

unul are rol de oxidant, iar al doilea – de ligand, are loc dizolvarea metalului

cu formarea combinaţiilor coordinative. În calitate de exemplu poate servi

dizolvarea aurului sau a platinei în apa regală, care reprezintă amestec de

acid azotic (oxidant) şi acid clorhidric (ligand):

3Sn + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[SnCl6] + 4NO + 8H2O

Au + HNO3 + 4HCl = H[AuCl4] + NO + 2H2O

3Pt + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O

22

Cu soluţiile de baze alcaline reacţionează acele metale care sunt destul

de active pentru a substitui hidrogenul din apă şi hidroxizii cărora au

proprietăţi amfotere. De exemplu, zincul este un metal activ, capabil să

substituie hidrogenul din apă, însă hidroxidul care se formează este practic

insolubil în apă şi de aceea reacţia:

Zn + 2H2O = Zn(OH)2 + H2

repede se opreşte. Dacă se introduce zinc în soluţie de hidroxid de sodiu,

atunci hidroxidul de zinc, datorită proprietăţilor amfotere, se dizolvă în

soluţia bazică conform ecuaţiei:

Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(OH)4] + H2

Adunînd ambele ecuaţii se obţine:

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2

Pentru comparaţie se poate indica că metalul magneziu, care este mai

activ ca zincul, nu se dizolvă în baze fiindcă hidroxidul lui nu este amfoter,

iar metalul mai puţin activ – cuprul, hidroxidul căruia manifestă proprietăţi

amfotere, nu se dizolvă în baze, deoarece el nu este capabil să substituie

hidrogenul din apă.

Cu halogenii, metalele se combină direct formînd halogenuri, energia

de combinare fiind cea mai accentuată la metalele alcaline. Astfel, potasiul

reacţionează violent cu clorul, producînd explozie; platina şi aurul nu sunt

clorurate decît de apa regală.

Toate metalele, cu excepţia aurului, se combină cu sulful formînd

sulfuri; metalele alcaline reacţionează la cald energic cu sulful, pe cînd

platina nu reacţionează decît în stare fin divizată (pulbere). În general, cu cît

metalele se găsesc în stare de diviziune mai fină, cu atît combinarea lor cu

sulful este mai favorizată.

Coroziunea metalelor

Metalele şi aliajele, venind în contact cu mediul înconjurător, se

distrug. Procesul spontan de distrugere a metalelor la interacţiunea lor

chimică, electrochimică şi biochimică cu mediul ambiant se numeşte

coroziune (de la cuvîntul latin „corrodere” – a roade, a descompune).

Cauza de bază a coroziunii este instabilitatea metalelor şi aliajelor, ele

uşor trec în starea oxidată care este mai stabilă. Nu există nici un metal care

ar fi absolut rezistent faţă de coroziune. Se poate vorbi despre rezistenţa lui

în condiţiile date.

Pagubele provocate economiei de către coroziune ating proporţii uriaşe.

Conform datelor existente, aproape o treime din producţia mondială de metal

este scoasă din uz datorită coroziunii. Întrucât numai circa două treimi din

metalul corodat se recuperează prin topire, înseamnă că circa 10% din

23

producţia mondială se pierde definitiv ca urmare a acţiunii de distrugere a

coroziunii.

Pagubele datorate coroziunii sunt adesea legate nu numai de pierderile

de metal ci şi de scoaterea din funcţiune a unor instalaţii întregi, pentru a

căror prelucrare şi montare se cheltuieşte mai mult decât costul materialului

din care sunt făcute. Dacă pentru şinele de cale ferată costul materialului

depăşeşte costul de fabricaţie, pentru alte produse cum ar fi maşinile,

avioanele, aparatele de precizie etc., costul de fabricaţie depăşeşte cu mult

costul materialului.

Termenul de coroziune este convenţional şi cuprinde o serie de procese,

de schimbări chimice şi electrochimice prin care metalele trec dintr-o formă

elementară într-o formă combinată. Această trecere este posibilă deoarece în

natură, în mod obişnuit, metalele se găsesc sub formă combinată ca: oxizi,

carbonaţi, hidroxizi, a căror energie liberă este mai mică decât a metalului

pur, ceea ce determină tendinţa naturală a metalelor de a trece la forme cu

energie liberă mai redusă.

Prin coroziune se înţelege distrugerea materialelor datorită reacţiilor

chimice sau electrochimice cu mediul înconjurător. Atacul chimic direct este

posibil la toate materiile prime folosite în industrie, în timp ce atacul

electrochimic nu apare decât la metale, deoarece numai ele posedă electroni

liberi. Materialele sintetice nu posedă această structură ele fiind de obicei

supuse degradării numai prin atac chimic.

După mecanismul de desfăşurare se pot distinge două tipuri de

coroziune:

coroziunea chimică care se referă la procesele de distrugere a metalelor şi

aliajelor care se produc în gaze uscate, precum şi în lichide fără

conductibilitate electrică şi în majoritatea substanţelor organice;

coroziunea electrochimică se referă la procesele de degradare a metalelor

şi aliajelor în soluţii de electroliţi, în prezenţa umidităţii, fiind însoţite de

trecerea curentului electric prin metal.

Atât coroziunea chimică cât şi cea electrochimică, fiind procese ce se

desfăşoară la interfaţa metal-gaz, fac parte din categoria reacţiilor eterogene

şi se supun legilor generale ale cineticii acestor reacţii.

După aspectul distrugerii, coroziunea poate fi clasificată în: coroziune

continuă (când întreaga suprafaţă metalică a fost cuprinsă de acţiunea

mediului agresiv) şi coroziunea locală (când distrugerea se produce numai pe

anumite porţiuni ale suprafeţei metalului sau aliajului).

În practică, fenomenele de coroziune sunt în mod frecvent extrem de

complexe şi apar sub diferite forme, motiv pentru care o clasificare riguroasă

a tuturor acestor fenomene este greu de efectuat.

24

Coroziunea chimică se produce din cauza afinităţii dintre metal şi

unele gaze (O2, SO2, H2S, HCl gazos, CO, CO2, H2) sau lichide rău

conducătoare de electricitate (alcooli, benzine, benzoli etc.) provocând

modificări ale metalului manifestate prin: dizolvarea părţilor componente şi

pierderi de material; spălarea componenţilor; dezagregarea materialului de

către cristalele sărurilor care se formează în porii săi; mărirea sau reducerea

particulelor, deci şi a întregii mase a metalului.

Intensitatea procesului de coroziune chimică este condiţionată de:

natura materialului, natura materialului corosiv, concentraţia, temperatura şi

presiunea mediului corosiv şi durata de contact.

Dintre factorii externi, acţiunea cea mai dăunătoare asupra metalelor o

are oxigenul. Suprafaţa curată a multor metale expusă la aer se oxidează

rapid. Molecula de oxigen este absorbită şi concomitent scindată în atomi.

După aceasta are loc unirea atomilor de oxigen cu atomii de metal şi

formarea primului strat monomolecular de oxid. Dacă pelicula de oxid

formată prezintă proprietăţi protectoare, viteza de coroziune iniţială ridicată

scade rapid în timp.

Capacitatea de protecţie a peliculelor de oxid formate depinde de

permeabilitatea lor pentru substanţele cu care reacţionează.

Porozitatea peliculelor de oxid depinde de raportul dintre volumul

oxidului şi al metalului din care s-a format.

Coroziunea chimică la temperaturi ridicate se produce cu viteze mari.

Astfel la prelucrarea la cald a oţelului, prin laminare, unde temperaturile sunt

între 1200...1600K, grosimea peliculei de oxid ajunge uşor la câţiva

milimetri, ceea ce determină pierderi considerabile de metal la fiecare

încălzire. Acest fenomen este posibil deoarece de la temperatura de 850K

începe să se formeze pe suprafaţa oţelului un complex de oxizi (denumit

ţunder) cuprinzând: (cu începere de la suprafaţa metalului) FeO, Fe3O4 şi

Fe2O3 în straturi de grosimi diferite. Aceste straturi sunt poroase, permit

oxidarea în continuare a metalului şi se exfoliază.

De remarcat faptul că stratul interior de FeO este cauza slabei aderenţe

a oxizilor formaţi anterior la suprafaţa metalică, deoarece sub influenţa

atmosferei duce la formarea hidroxidului de fier, deci la apariţia ruginii, sub

stratul de oxizi de laminare, ceea ce grăbeşte îndepărtarea ei.

Coroziunea chimică a metalelor sau aliajelor se produce prin reacţii ce

se desfăşoară la suprafaţa acestora în contact cu gaze uscate sau soluţii de

neelectroliţi.

Produsele care rezultă sub acţiunea acestor medii rămân, în general, la

locul interacţiunii metalului cu mediul corosiv, sub formă de pelicule de

grosimi şi compoziţii diferite.

25

În funcţie de proprietăţile lor fizico-chimice peliculele de coroziune

exercită o influenţă importantă asupra desfăşurării ulterioare a procesului de

coroziune, a cineticii acestuia, putându-l frâna într-o măsură mai mare sau

mai mică.

Coroziunea electrochimică. Spre deosebire de coroziunea chimică,

metalele în contact cu soluţiile bune conducătoare de electricitate (electroliţi)

se corodează electrochimic. Soluţia şi metalul sunt străbătute, în acest caz, de

un curent electric, generat de procesele electrochimice care se desfăşoară la

limita celor două faze.

Pentru apariţia acestui tip de coroziune este necesar să existe un anod,

un catod, un electrolit şi un conductor, deci un element galvanic. Prin

înlăturarea uneia dintre aceste condiţii, coroziunea electrochimică nu se

produce. După cum în practica industrială metalele folosite în mod curent,

sunt eterogene, se pot considera ca fiind alcătuite din electrozi electrici

scurtcircuitaţi prin însăşi corpul metalului respectiv. Prin introducerea

metalului în apă sau în mediu cu proprietăţi electrolitice, pe suprafaţa

metalului apar elemente galvanice în care impurităţile din metal funcţionează

ca microcatozi cu descărcare de hidrogen pe suprafaţa lor, în timp ce metalul,

funcţionând ca anod se dizolvă.

Exemple tipice de coroziune electrochimică se întâlnesc în cazul

coroziunii atmosferice (ruginirea fierului) şi la coroziunea provocată de

curenţii electrici de dispersie din sol numiţi şi curenţi vagabonzi.

În problemele practice de coroziune, importantă este cunoaşterea

vitezelor reale cu care procesul se desfăşoară. Dacă procesul de coroziune

este posibil, dar are o viteză de desfăşurare foarte mică, se poate considera că

materialul este rezistent la coroziune. Viteza de coroziune se exprimă prin

masa de metal distrus pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp (g/m2h) sau

adâncimea la care au ajuns degradările în unitatea de timp (mm/an).

Cunoaşterea acestor indici, permit alegerea corespunzătoare a

materialului în funcţie de natura mediului, ceea ce determină o dimensionare

corespunzătoare a instalaţiilor şi o justă apreciere a duratei lor în exploatare.

Metode de protecţie anticorosivă a materialelor metalice. Protecţia

împotriva coroziunii reprezintă totalitatea măsurilor care se iau pentru a feri

materialele tehnice de acţiunea agresivă a mediilor corosive.

Metodele şi mijloacele de protecţie anticorosivă sunt foarte variate şi

numeroase; în principial ele se pot grupa în următoarele categorii:

metode de prevenire a coroziunii;

utilizarea metalelor şi aliajelor rezistente la coroziune;

metode de acţionare asupra mediului corosiv;

metode de acoperire a suprafeţelor metalice.

26

Cel mai întâlnit exemplu de coroziune este ruginirea fierului, o reacţie

chimică complexă în care fierul se combină şi cu oxigen şi cu apă pentru a

forma oxid de fier:

4Fe + 3O2 + 2H2O = 2(Fe2O3H2O)

Oxidul este un solid care menţine aceeaşi formă generală a metalului

din care a fost format, dar mai poros şi mai voluminos, fiind slab şi fragil,

deci nu poate proteja metalul de acţiunea ulterioară a oxigenului.

Se pot folosi trei metode pentru a preveni ruginirea fierului:

Crearea unui aliaj din fier care să reziste coroziunii;

Adăugarea unui strat dintr-un material care să reacţioneze cu

substanţele corosive mult mai rapid decât fierul, astfel pe măsura ce

acel strat se consumă, fierul este protejat.

Acoperirea cu un strat impermeabil în aşa fel încât aerul şi apa să nu

ajungă la fier.

Crearea unui aliaj din fier este cea mai bună metodă de protecţie dar şi

cea mai scumpă. Un exemplu ar fi oţelul inoxidabil care se obţine prin alierea

cromului sau a cromului şi a nichelului cu fierul. Acest aliaj nu este absolut

inoxidabil dar rezistă chiar şi sub acţiunea unor substanţe corosive puternice,

cum ar fi acidul azotic.

A doua metodă, protejarea cu un metal activ, este şi ea satisfăcătoare

dar scumpă. Cel mai întâlnit exemplu este metoda galvanizării, în care fierul

este acoperit cu un strat de zinc. În prezenţa soluţiilor corosive, un potenţial

electric apare între fier şi zinc, cauzând dizolvarea zincului şi protejarea

fierului pe toată perioada existenţei zincului.

A treia metodă, şi anume protecţia suprafeţei fierului cu un strat

impermeabil, este cea mai ieftină dintre toate şi de aceea cea mai des

întrebuinţată. Ea satisface cerinţele de protecţie a fierului atâta timp cât nu

apare nici o fisură pe strat. Odată ce stratul este crăpat, ruginirea începe cel

puţin la fel de rapid dacă nu ar fi avut nici o protecţie. Dacă stratul protector

este format dintr-un metal inactiv, cum ar fi cositor sau crom, se creează un

potenţial electric, protejând stratul de protecţie dar dăunând fierului,

permiţând ruginii să acţioneze cu o mai mare viteză. Cele mai eficiente

straturi de protecţie sunt cele cu smalţ, iar cele mai ieftine sunt vopselele

speciale, cum ar fi miniul de plumb.

Unele metale, cum ar fi aluminiul, chiar dacă sunt foarte active din

punct de vedere chimic, nu prezintă urme de coroziune sub condiţii normale

de atmosferă. De fapt, aluminiul se oxidează repede, şi un strat subţire,

continuu şi transparent de oxid se formează pe metal, protejându-l de la o

extindere rapidă a ruginii. Plumbul şi zincul, chiar dacă sunt mai inactive

decât aluminiul sunt protejate similar de aceste straturi subţiri de oxid. Cuprul

însă, un metal comparativ, este oxidat încet de către aer şi apă în prezenţa

27

unor acizi slabi, cum ar fi acidul carbonic, producând o substanţă verde şi

poroasă care nu este altceva decât carbonat de cupru. Aceste produse verzi

ale coroziunii, supranumite şi cocleli, apar pe aliajele din cupru cum ar fi

alama sau bronzul, şi de asemenea pe cupru pur.

Unele metale, numite şi metale nobile, sunt aşa de inactive chimic încât

nu suferă de coroziune din atmosferă. Printre ele se numără paladiul, aurul şi

platina. O combinaţie de apă cu aer şi sulfură de hidrogen acţionează asupra

argintului, care este un metal semi-nobil, dar cantitatea de sulfură de

hidrogen prezentă în atmosferă este aşa de mică încât gradul de coroziune

este neglijabil, exceptând pierderea lustrului şi schimbarea în negru a culorii,

care este cauzată de formarea sulfurii de argint.

Coroziunea metalelor este o mai mare problemă şi a altor materiale.

Sticla se corodează sub acţiunea unor soluţii alcaline, iar betonul sub acţiunea

soluţiilor rezistente la sulfaţi. Rezistenţa acestor materiale se poate mări

semnificativ modificându-le compoziţia.

Datorită rezistenţei la coroziune şi a durităţii materialelor ceramice,

fabricanţii folosesc des smalţul pentru acoperirea metalului şi protejarea lui.

Aparatele electro-casnice, cum ar fi frigiderele, cuptoarele, maşinile de spălat

şi uscătoarele sunt des acoperite cu un strat de smalţ.

Aluminiul. În aer liber, uscat, la temperatură obişnuită şi mai joasă,

aluminiul se conservă foarte bine deoarece se acoperă cu un strat subţire

(proaspăt, de circa 0,01 mm) de oxid (Al2O3), aderent şi compact. Apa de

ploaie, distilată, sau potabilă nu îl atacă. Încălzirea acestora determină

creşterea grosimii stratului iniţial de oxid. Apa sărată îl atacă doar la

suprafaţă.

Argintul începe să se oxideze în prezenţa urmelor de ozon sau la

încălzire la peste 200°C.

Aurul este atacat în soluţii apoase cu clor şi mai ales cu ionul CN-

(cian).

Beriliul are în combinaţii numărul de oxidare +2. Oxidarea lui mai

intensă are loc abia la 800°C. Oxidarea intensă a beriliului pulbere are loc la

temperaturi mult mai joase.

Cadmiul, la temperatură obişnuită, în aer curat, este stabil. În aer umed

se acoperă cu un strat protector de CdO care împiedică oxidarea în adâncime.

Cobaltul începe să reacţioneze cu oxigenul la peste 250°C, cu formare

până la 850°C de amestec de oxizi, format din CoO verde, la interior,

puternic aderent la metalul de bază şi Co3O4.

Cuprul este un metal puţin activ. La temperatură obişnuită nu

reacţionează cu aerul uscat sau umed. Aerul umed ce conţine CO2 acoperă

cuprul cu un strat de carbonat bazic (malahită sau cocleală). Cuprul încălzit la

28

peste 185°C se acoperă cu oxid cupros care la temperaturi înalte (>1000°C)

se transformă în oxid cupric.

Fierul rezistă la coroziune în funcţie de puritatea lui. Fierul de înaltă

puritate se distinge în funcţie de rezistenţa la coroziune. Rezistenţa la

coroziune în atmosferă şi soluţii neutre a fierului creşte, de asemenea prin

aliere în special cu proporţii mici de cupru. Cu oxigenul, fierul formează

oxizii: FeO, Fe2O3 şi Fe2O4.

Magneziul în aer liber uscat, la temperatură obişnuită, se acoperă cu un

strat subţire de oxid de magneziu ce îl protejează de oxidare în adâncime. La

ridicarea temperaturii însă, peste circa 475ºC viteza de oxidare creşte foarte

mult şi duce la distrugerea peliculei protectoare. În aer, industrial magneziul

se acoperă cu o peliculă de MgO şi MgCO3 slab rezistentă la coroziune în aer

umed şi marin. Apa ce conţine ioni de clor, fosfaţi, sulfaţi, azotaţi atacă

magneziul. Este atacat de asemenea de apa marină şi sărată. Rezistă la

coroziune în alcool etilic, HF, NaF, KF, NaOH, petrol, acetonă, benzină,

motorină, metan, etan, sodă , sulf topit, CS2, cromaţi, bicromaţi, fenol, crezol

etc.

Platina este un metal puţin activ şi rezistă la orice fel de apă (de mare,

sărată, dulce, minerală). Cu oxigenul formează oxizi bazici (PtO), amfoteri

(PtO2 şi Pt2O3) şi acizi (PtO3).

Plumbul are o stabilitate la coroziune ce depinde de mediul agresiv,

temperaturi şi impurităţi.

Titanul rezistă bine la coroziune în orice apă, inclusiv în cea de mare.

În schimb, pulberea de titan cu cât este mai dispersată şi neoxidată cu atât

este mai activă.

Uraniul, în apă, la temperatură obişnuită, este repede atacat şi se

descompune lent cu formare de UO2 protector.

Zincul formează cu oxigenul oxidul ZnO care se obţine prin arderea

zincului, aproximativ până la temperatura de fierbere a acestuia.

29

Lucru individual

1. La acţiunea acidului clorhidric asupra unui metal, masa metalului

dizolvat (în grame) este de 2,5 ori mai mare decît volumul hidrogenului

degajat (în litri, c.n.). Ce metal a fost luat, dacă acesta la dizolvare în acid

s-a oxidat pînă la gradul de oxidare +2?

2. La arderea a 10 g de metal s-au obţinut 18,9 g oxid, metalul şi-a scimbat

gradul de oxidare pînă la +3. Care este metalul? Ce volum de oxigen

(c.n.) s-a consumat la oxidare?

3. La soluţia cu masa de 50 g, partea de masă de acid clorhidric constituind

12%, a fost introdusă pe cîtva timp o placă de metal cu masa de 4 g, care

se dizolvă în acidul clorhidric cu formarea ionului Me2+

. După reacţie

masa plăcii s-a micşorat cu 42% şi s-au degajat 672 ml gaz (c.n.).

Determinaţi partea de masă de acid clorhidric în soluţie după reacţie şi

masa precipitatului, care se va forma la adăugarea în această soluţie a

unui exces de soluţie de sulfură de sodiu.

4. Sulfura de argint se găseşte în natură sub formă de mineralul argentit. Ce

masă de argint se poate obţine din 25 kg de acest mineral, dacă partea de

masă a impurităţilor alcătuieşte 30%?

5. Un amestec de zinc şi oxidul lui cu masa de 2,56 g s-a tratat cu soluţie de

acid clorhidric cu partea de masă a acidului de 14,6% ( = 1,071 g/ml).

Pentru dizolvarea completă a amestecului se consumă 49,4 ml de soluţie

de acid. Calculează părţile de masă ale componeţilor în amestecul iniţial.

6. Pentru analiză s-au luat 28 g de aliaj de cupru şi magneziu şi s-au

dizolvat în acid azotic concentrat. Soluţia a fost evaporată, iar masa

rămasă a fost calcinată. În rezultat se degajă 42 l gaz (c.n.). Calculează

părţile de masă ale metalelor în aliaj.

7. Calculează masa soluţiei de acid azotic cu partea de masă a acidului 20%

necesară pentru dizolvarea completă a 15g cupru tehnic, care conţine

14,67% impurităţi.

8. Calculează masa fierului obţinut din 500 kg magnetită (Fe3O4) dacă

randamentul procesului reprezintă 80% din cel teoretic.

9. 15 g amestec de zinc şi oxid de zinc s-a prelucrat cu exces de soluţie de

hidroxid de potasiu. În rezultat s-a degajat gaz cu volumul de 4,48 l

(c.n.). Stabileşte părţile de masă ale componenţilor în amestecul iniţial.

10. Ce volum de soluţie cu partea de masă a hidroxidului de potasiu 22% şi

densitatea 1,2 g/ml va fi necesar pentru dizolvarea completă a 200 g

amestec, ce conţine 20% aluminiu, 50% oxid de aluminiu şi 30%

hidroxid de aluminiu?

11. La calcinarea piritei cu masa de 1t a fost obţinut SO2 cu volumul de 350

m3

(c.n.). Determinaţi puritatea piritei.

30

12. Masa unui amestec de Mg, Al, şi Fe este 8,9 g. După tratarea amestecului

cu exces de soluţie de acid azotic concentrat la rece masa reziduului a

devenit 4,1 g. Reziduul a fost tratat cu soluţie concentrată de bază, în

care nu s-a dizolvat o parte din reziduu cu masa 1,4 g. Stabiliţi părţile de

masă a metalelor în amestec.

13. Propuneţi metoda de obţinere a fierului din minereul magnetit (oxid de

fier – Fe3O4). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor respective. Calculaţi

masa metalului care poate fi obţinut din 500 kg de magnetit ce conţine

20% de impurităţi, dacă randamentul procesului constituie 75% faţă de

cel teoretic.

14. Propuneţi metoda de obţinere a zincului din minereul smithsonit

(carbonat de zinc – ZnCO3). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor

respective. Calculaţi masa metalului care poate fi obţinut din 1 tonă de

smithsonit ce conţine 15% de impurităţi, dacă randamentul procesului

constituie 85% faţă de cel teoretic.

15. Propuneţi metoda de obţinere a fierului din minereul sideroza (carbonat

de fier – FeCO3). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor respective. Calculaţi

masa metalului care poate fi obţinut din 400 kg de sideroză ce conţine

18% de impurităţi, dacă randamentul procesului constituie 80% faţă de

cel teoretic.

16. Propuneţi metoda de obţinere a zincului din minereul blenda (sulfură de

zinc – ZnS). Scrieţi şi egalaţi ecuaţiile reacţiilor respective. Calculaţi

masa metalului care poate fi obţinut din 1 tonă de blendă ce conţine 30%

de impurităţi, dacă randamentul procesului constituie 70% faţă de cel

teoretic.

17. O placă de cupru cu masa egală 10 g a fost întrodusă în soluţie de nitrat

de argint. Peste un timp placa a fost scoasă, spălată, uscată şi cîntărită din

nou. Masa plăcii a devenit egală cu 11 g. Ce masa de argint s-a depus pe

placă?

18. Pulberea de magneziu cu masa 20 g a fost introdusă în soluţie de sulfat

de cupru. Peste un timp pulberea metalică a fost separată de soluţie,

uscată şi cîntărită. Masa ei a devenit egală cu 28 g. Determină masa

cuprului depus din soluţie.

19. Pulberea de magneziu cu masa 40 g a fost introdusă în soluţie de sulfat

de zinc. Peste un timp pulberea metalică a fost separată de soluţie, uscată

şi cîntărită. Masa ei a devenit egală cu 56 g. Determină masa zincului

depus din soluţie.

20. O placă de cupru cu masa de 101,87 g s-a cufundat în soluţie de nitrat de

argint. Peste un timp placa a fost scoasă, spălată, uscată şi cîntărită din

nou. Masa plăcii a devenit egală cu 118,61 g. Calculează masa cuprului,

ce a trecut în soluţie.

31

21. Alege un metal, care să corespundă următoarei serii de transformări.

Scrie şi egalează ecuaţiile reacţiilor respective:

a) oxid de metal metal clorură de metal nitrat de metal

hidroxid de metal oxid de metal sulfat de metal metal

b) carbonat de metal oxid de metal metal sulfat de metal

clorură de metal metal nitrat de metal oxid de metal

c) sulfură de metal oxid de metal metal sulfat de metal nitrat

de metal hidroxid de metal clorură de metal metal

d) metal oxid de metal sulfat de metal nitrat de metal oxid de

metal metal clorură de metal metal

32

REFERINŢE BIBLIOGRAFICE

1. Cocunov T., Popov M., Fusu I. Curs de chimie. Chişinău, 1998.

2. Sandu I., Gulea A., Şova S. Structura atomului. Chişinău, 1994.

3. Sandu I., Gulea A., Şova S. Legătura chimică. Chişinău, 1995.

4. Glinca N. Chimie generală. Editura Lumina, 1984.

5. Gulea A., Sandu I., Popov M. Lucrări practice de chimie anorganică.

Chişinău, 1994.

6. Probleme şi exerciţii de chimie anorganică, sub redacţia A. Gulea,

Chişinău, 2000.

7. Rabega C., Rabega M. Chimia generala. Bucureşti, Ed. Didactica

pedagogică. 1975.

8. Gulea A., Berdan I., Novitchi Gh., Cecal Al.. Chimia metalelor.

Chişinău: CE USM, 2004.

9. Ifrim S., Rosca M. Chimie generală. Bucureşti, Ed. tehnica 1989.

10. Bumbu I. Microelementele în viaţa plantelor, animalelor şi a omului.

Chişinău: Ştiinţa. 1970.