1

CLASIFICAREA ELEMENTELOR

Metale, nemetale, semimetale

Dup descoperirea legii periodicitii de ctre D. I. Mendeleev s-a observat c trecerea de la elementele electropozitive la cele electronegative este continu, neputndu-se stabili o limita net.

Proprietile structurale i fizico-chimice permit clasificarea elementelor dup criterii diferite, conform tabelului 1.

Tabelul 1. Clasificarea elementelor

Criteriul de clasificare Grupele de elemente

1. Structura inveliului electronic 1. Elementele grupelor principale, reprezentative (fostele grupe A), ale cror atomi au electronul distinctiv este n stratul

electronic extern n, substratul s sau p (deci

blocul de elemente s grupele 1 i 2, respectiv

blocul de elemente p grupele 13 - 18) 2. Elementele grupelor secundare (fostele

grupe B), numite tranziionale, formate din:

E tranziionale d cu electronul distinctiv n stratul penultim (nl), substratul d (blocul de elemente d grupele 3 - 12);

E tranziionale f cu electronul distinctiv n stratul antepenultim (n2), substratul f (blocul de elemente f lantanidele i actinidele)

2. Structura molecular sau cristalin a substanelor simple, elementale, existente n starea standard (298K i 101,3KPa)

1. Elementele cu moleculele monoatomice X,

ai cror atomi au orbitalii ns i np complet ocupai (grupa gazelor rare) 2. Elementeie cu structuri covalente de diferite

tipuri:

molecule diatomice X2 (N2, O2 i halogeni);

molecule poliatomice, structuri catenare liniare sau ciclice, structuri stratificate,

reele tridimensionale, adic structuri Xn (nemetalele grupelor 1316)

3. Elementele cu structur metalic (toate metalele)

3. Caracterul chimic 1. Elemente cu caracter electronegativ,

nemetalic (nemetalele)

2. Elemente cu caracter electropozitiv, metalic

(metale)

3. Elementele cu caracter electronegativ slab

(semimetalele sau metaloidele)

1. Nemetale

1.1. Caracterizare general Elementele situate n grupele principale n dreapta diagonalei care poate fi trasat de la bor 5B (grupa 13) la ununseptium 117Uus (grupa 17) sunt nemetale, caracterizate prin urmtoarele proprieti generale:

2

1. Formeaz 1/5 din totalul elementelor naturale i se gsesc n toate strile de agregare: gaze (F2, C12, O2, N2) lichide (Br2) solide ( I2, At2, S8, Se8, Te8, P4, As4, Sb4, C, Si ,B) formnd molecule covalente bi-, tetra-, octoatomice

sau polimere.

2. n stare cristalin formeaz cu atomi de acelai fel, structuri care respect regula (8-n) legturi (n = numrul electronilor de valen), motiv pentru care numrul de coordinaie (NC) al nemetalelor n cristale este egal cu numrul de oxidare uzual al elementului respectiv. Sunt i excepii de la regul: oxigenul i azotul, care au tendin de a forma legturi multiple, respectiv borul, cu o structur mai puin obinuit, special, n care atomii sunt unii prin legturi tricentrice dielectronice (tip banan)

3. Cu excepia halogenilor, Si, Ge, Bi i Te, pot exista n mai multe modificaii alotropice. Elementele B, C, Si, P, As, Se, Te i Bi pot forma polimeri.

4. Borul (cu atomi cu configuraie electronic fundamental 1s22s22p1) i elementele ale cror atomi au configuraia electronic exterioar: ns2np2-5, deci cu electronii de valen s i p, n numr egal cu cifra unitilor din numrul grupei, au caracter electronegativ care scade n grupe i crete n perioade cu creterea numrului atomic Z. Electronegativitatea nemetalelor msurat prin coeficieni n scara lui Pauling variaz de la 2,0 la bor, la 3,5 la oxigen i 4,0 la fluor i prezint o scdere nsemnat la trecerea de la perioada a doua la a treia.

5. n soluie apoas formeaz numai anioni. 6. Cu oxigenul formeaz oxizi cu structur covalent putnd exista n toate strile de agregare, avnd caracter

acid, deci caracter de anhidride.

7. Cu hidrogenul formeaz hidruri covalente polare sau nepolare (cu formula EH8-n), substane gazoase, cu excepia apei care este lichid n condiii normale. Energia legturii nemetal hidrogen scade n grupe i crete n perioade cu creterea numrului atomic Z.

8. Numrul de oxidare (NO) maxim al nemetalelor este egal cu cifra unitilor din numrul grupei creia i aparine i este dat de totalitatea electronilor s i p de valen. Fac excepie: fluorul, cel mai electronegativ element din sistemul periodic, care funcioneaz constant cu NO = -1 i oxigenul cu NO =-2 n oxizi i compuii oxigenai comuni (hidroxizi, oxoacizi, oxoanioni), NO =-1 n peroxizi i compui peroxidici (Na2O2 i ali compui: H2SO5, K2S2O8, CrO5, H2Cr2O12, etc.), -1/2 n superoxizi (KO2) i NO =+ 2 n difluorurile de polioxigen, OnF2 .

9. Azotul, oxigenul, sulful, seleniul i halogenii formeaz compui stabili la NO minime: -3, respectiv -2 i -1, n timp ce B, C i P la NO maxime, egal cu numrul electronilor de valen. n aceleai grupe, ncepnd cu elementele din perioadele mari, mai ales a 5-a i a 6-a, se ntlnesc NO inferioare, +1 n grupa 13, +2 n grupa 14, + 3 n grupa 15 i +4 n grupa a 16, care sunt mai stabile comparativ cu NO maxime.

10. Energia de legtur nemetaloxigen, nemetalfluor i nemetalnemetal scade n perioade i crete n grupe cu creterea numrului atomic Z.

11. Primele elemente din grupele 1317: B, C, N, O i F, se deosebesc de restul elementelor din grupe: 5B (grupa 13) se aseamn mai mult cu 14Si (grupa 14, element aezat n diagonal n sistemul periodic asemnare diagonal); 84Po, 85At, la fel ca toate elementele perioadei a apte sunt radioactive. Elementele chimice B, Si, Ge, As, Sb, Se i Te, prin proprietile i comportarea lor general ocup o poziie intermediar ntre nemetale i metale, de aceea se numesc semimetale. Prezint luciu metalic i prin aceasta se apropie de metale, dup structur fac parte din blocul p i se aseamn mai mult cu nemetalele. Toate semimetalele sunt substane cristaline, cu forme alotropice, iar cele cu electronegativitate apropiat de a carbonului (ex. Si) au tendina accentuat de a forma polimeri (macromolecule).

1.2. Rspndire n natur Cu excepia oxigenului, hidrogenului, azotului, gazelor rare, sulfului i carbonului, care se gsesc n natur i n stare liber, nemetalele se gsesc n natur numai sub form de combinaii, n proporii care scad de la oxigen 49,4% i siliciu 25,75% la radon 4,10-17% (tabelul 2).

3

Tabelul 2. Rspndirea nemetalelor n natur

Gazele rare Hidrogenul Fluorul Clorul Bromul Iodul

Aerul

atmosferic

~(Ar1%)

gaze

rare (He)

Ap, Hidrocarburi

(spaiul interstelar)

Fluorit CaF2,

Criolit, Na3[AlF6]

Apatit [Ca5(PO4)3F]

Sare gem NaCl

Carnalit

KClMgCl26H2O

Silvinit

KCl NaCl

Bromuri

(Na+, K

+, Mg

2+)

Apa de mare

(0,006% Br)

Apa de sond (~0,5% Br-)

Brom-carnalit MgBr2KBr6H2O

Ioduri

(Na+, K

+)

Alge marine

(~2,5mg/l)

Apa de sond (~7-0g/m

3)

Ape de splare a NaNO3, sub

form de NaIO3, 0,1%

Oxigenul Sulful Seleniul Telurul Azotul Fosforul

50% din

totalul

elementelor

21% vol,

23%g

n aerul

atmosferic.

Ap, carbonai, silicai, etc.

Pirit, FeS2 Calcopirit, FeCuS2,

Galen, PbS Blend, ZnS Gips,

CaSO42H2O

Anhidrit,

CaSO4

Celestin, SrSO4

Baritin, BaSO4

nsoete sulful

n pirite

Silvanit AuAgTe4

Hesit Ag2Te

Aerul atmosferic

78%vol.

Salpetru de

Chile i de India NaNO3, KNO3

Apatit [Ca5(PO4)3F]

Fosforit Ca3(PO4)2

Vivianit

Fe3(PO4)28H2O

Vavelit

4AlPO42Al(OH)3

9H2O

Monazit

CePO4

Arsenul Stibiul Bismutul Carbonul Siliciul Borul

Realgar

As4S4

Auripigment

As2S3

Lolingit FeAs2

Mispickel

FeAsS

Smaltin, CoAs2

Cobaltin, CoAsS

Proustit, Ag3AsS3

Stibin, Sb2S3

Pirargirit, Ag3SbS3

Fahherze

Cu3SbS3

Bismutin Bi2S3

Ocru de

bismut

Bi2O3

Diamant

Grafit

Crbuni fosili Piatr de var Marmur Calcit CaCO3

Magnezit, MgCO3

Dolomit, CaCO3 MgCO3 Sideroz FeCO3

Aerul atmosferic

(CO2 ~ 0,03%)

25% din totalul

elementelor

SiO2,

silicai

Kernitul

Na2B4O74H2O

Borax

Na2B4O7 10H2O

Borocalcit CaB4O74H2O

Boronatrocalcita

NaCaB5O98H2O

Colemanit Ca2B6O115H2O

1.3.Metode generale de obinere Din combinaiile lor nemetalele pot fi obinute prin urmtoarele metode generale( Tabelul 2): 1. disocierea termic a unor combinaii (H2, O2, N2, X2); 2. oxidarea hidracizilor sau halogenurilor (C12, Br2, J2, S8); 3. reducerea oxizilor (P4, As4, Sb4, S8, B, Si);

4

4. electroliza n soluie apoas a acizilor (H2SO4) sau a bazelor (NaOH) pentru O2 i H2, a soluiilor apoase de

clorur de sodiu pentru clor, sau a unui amestec HF KF (pt 72C) pentru fluor . Tabelul 3. Metode generale de obinere a nemetalelor

H2 1.Electroliza apei;

2. CH4 + H2O(g) CO + 3H2; CH4 + 2H2O(g) CO2 + 4H2 3. 3Fe+ 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2 4. Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 Fe + H2SO4 FeSO4 + H2 5. Al + 2NaOH + 6H2O 2Na[Al(OH)4] + 3H2 6. CaH2 + 2H2O 2H2 + Ca(OH)2

F2 1. Electroliza KF / 2HF (p.t. = 72C)

Cl2

Br2

I2

1) 4HCl + O2 Cl2 + H2O; 4HX + O2 X2 + H2O (X= Br, I) 2) 2KMnO4 +16HX 5 X2 + 2MnX2 + 2KX + 8H2O 3) 2KMnO4 +10NaX + 8H2SO4 5X2 + 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 8H2O (X= Cl,Br, I)

4) K2Cr2O7 + 6NaX + 7H2SO4 3X2 + Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + K2SO4 +3H2O 5) K2Cr2O7 + 14HX 3X2 + CrX3 + 2KX + 7H2O 6) NaXO3 + 5NaX + 3H2SO4 3X2 + 3Na2SO4 + 3H2O 7) 2NaX + 2H2SO4 conc X2 + Na2SO4 + SO2 + 2H2O (X= Br, I) 8) 2NaBr + Cl2 Br2 + 2NaCl 9) 2NaI + Cl2 I2 + 2NaCl 10) 2NaIO3 + 5SO2 + 4H2O I2 + Na2SO4 + 4H2SO4

O2 1) Electroliza apei 2) 2HgO C500 2Hg + O2

3) 2BaO2 C700 BaO + O2

4) NaXOn Ct NaX + n/2O2

5) KNO3 Ct KNO2 + O2 6) 2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 5O2 + 2MnSO4 + K2SO4 +8H2O

N2 1) Distilarea fracionat a aerului lichid

2) NH4NO2 C700 N2 + 2H2O

3) (NH4)2Cr2O7 Ct N2 + Cr2O3 + 4H2O 4) 2NH3 + 3Br2 N2 + 6HBr

P4 2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C C1300 P4 + 6CaSiO3 +10CO

E =

As

Sb

Bi

E4O6 + 6C Ct E4 + 6CO

Bi2O3 + 3C 2Bi + 3CO

Si SiO2 + 2Mg Ct Si + 2MgO

SiI4 Ct Si + 2I2

B B2O3 + 3Mg Ct 2B + 3MgO

2BBr3 Ct 2B + 3Br2

2. Metale

2.1. Caracterizare general. Proprieti generale ale metalelor 2.1.1. Proprieti fizico-mecanice Metalele reprezint 90 din cele 118 elemente cunoscute pn n prezent. Au proprieti generale caracteristice, generate de legtura metalic, dar i proprieti particulare determinate de structura atomilor lor. Dup configuraia electronic, metalele sunt:

5

1. tipice, componente ale blocului s i blocului p, fiind cuprinse n grupele 1, 2 i 13 18 ale sistemului periodic (fostele grupe principale)

2. tranziionale componente ale blocului d, cuprinse n grupele 3 - 12 ale sistemului periodic ncepnd cu perioada a patra (fostele grupe secundare), precum i elementele blocului f, cele dou serii: lantanide (perioada a asea) i actinide (perioada a aptea)

Toate proprietile caracteristice metalelor sunt valabile pentru strile de agregare solid i lichid, deoarece n aceste condiii ntre atomii metalelor se manifest legturi metalice. n starea gazoas metalele nu se deosebesc de nemetale.

Cele mai reprezentative proprieti sunt: tendina de a forma reele cristaline compacte; proprietile optice (opacitate, luciu metalic, culoare); densitatea, temperaturile de topire i de fierbere; conductibilitatea termic i electric; proprietile mecanice speciale; insolubilitatea n dizolvani comuni (se dizolv numai n metale cu formare de aliaje), etc. (1) Structura cristalin. Majoritatea metalelor prezint una din urmtoarele tipuri de reele cristaline: cubic

cu fee centrate, hexagonal compact i mai rar cubic centrat intern, aa cum reiese din Figura 1.

Fe, V, Nb, Cr Al, Ni, Ag, Au, Cu Ti, Zn, Mg, Cd

body cubic close hexagonal close

centred cubic packed packed

Figura 1 Metalele n sistemul periodic al elementeleor sisteme cristaline Reelele cristaline metalice se caracterizeaz prin numere de coordinaie (NC) mari. Astfel, reelele cubic cu fee centrate i hexagonal compact au numrul de coordinaie l2, iar cea cubic centrat intern 8. Spre deosebire de metale, semimetalele i nemetalele cristalizeaz n reele caracterizate prin numere de coordinaie (NC) mici, care, cu puine excepii (bor, azot, oxigen), pot fi calculate cu relaia: NC = 8 - n, unde n este numrul grupei din care face parte elementul. Unele metale prezint fenomenul de alotropie, determinat n general de energii de reea asemntoare pentru diferitele modificaii. Aceast proprietate este foarte frecvent n metalele tranziionale de tip d i f (de exemplu: pentru fier se cunosc 3 modificaii cristaline, pentru mangan 4, iar pentru plutoniu 6.)

(2) Proprietile optice sunt cu totul deosebite. Astfel, metalele sunt total opace, nu permit trecerea luminii nici chiar n foie subiri. Opacitatea este determinat de faptul c undele luminoase lovind electronii mobili din metal sunt amortizate i nu sunt transmise mai departe. Datorit puterii de reflexie a luminii, metalele cu suprafa neted i neoxidat au un luciu caracteristic, numit luciu metalic. Magneziul i aluminiul pstreaz luciul i n stare de pulbere. Marea majoritate a metalelor n stare compact reflect aproape n ntregime toate radiaiile din domeniul vizibil i din aceast cauz sunt albe-argintii (Ag, Pb etc.) sau albe cenuii (Be, Ge, -Sn). Cteva metale sunt ns colorate: cuprul rou-armiu, aurul galben etc., datorit proprietii de absorbie selectiv. Cuprul absoarbe lumina verde, iar aurul lumina albastr, mai puternic dect celelalte radiaii, aprnd astfel colorate n culoarea complementar a radiaiei absorbite.

6

n stare fin divizat, majoritatea metalelor sunt de culoare neagr sau cenuiu nchis, deoarece electronii de valen absorb integral radiaiile din domeniul spectrului vizibil. Cuprul i aurul i menin culoarea caracteristic i n aceast stare. (3) Densitatea metalelor variaz n limite relativ mari, de la 0,53 kg/dm3 pentru litiu (cel mai uor element), la

22,6 kg/dm3 pentru cel mai dens, mai greu metal: osmiu. n funcie de valoarea densitii, metalele se mpart

n dou categorii: metale grele (pentru valori mai mari ca 5 kg/dm3) i metale uoare (pentru valori sub 5 kg/dm

3), aa cum reiese din Figura 2.

Figura 2 Metalele n sistemul periodic al elementeleor variaia densitilor

Densitatea relativ mare a metalelor, comparativ cu alte substane, este n mare msur o consecin a mpachetrii compacte a atomilor lor n reeaua cristalin. Analiznd variaia densitii elementelor funcie de numrul de ordine Z, se desprind cteva caracteristici generale: metalele tranziionale au densiti mult mai mari dect metalele de tip s i p; densitatea metalelor crete n perioad cu creterea Z; densitatea metalelor crete n grup cu creterea Z, creterea fiind considerabil mai mare pentru metalele

tranziionale. (4) Temperaturile de topire variaz ntre 234,27 K (la Hg), sub 373,16 K (la metalele alcaline), i 3683,16 K

(la W), fiind dependente de volumul atomic; la volum atomic mic, punct de topire mare i invers. Metalele din grupele principale sunt mult mai uor fuzibile dect cele din grupele secundare. Variaia punctelor de topire ale elementelor cu caracter metalic, poate fi atribuit numrului diferit de electroni prin care elementul particip la formarea legturilor metalice.

(5) Temperaturile de fierbere sunt n majoritatea cazurilor foarte ridicate, variind ntre 630,4 K (la Hg) i 6203,16 K (la W) prezentnd n general aceleai tendine ca i punctele de topire. Pentru toate metalele, cldura de vaporizare este mult mai mare dect cldura de topire, ceea ce nseamn c ntre starea lichid i starea de vapori a metalelor exist o diferen mult mai mare din punct de vedere energetic dect n strile lichid i solid. Cldura de vaporizare are valori mai mari pentru metalele tranziionale i mai mici pentru metalele de tip s i p, maximele fiind atinse la elementele din grupele 5 sau 6. Cdurile de vaporizare mari, caracteristice metalelor, indic faptul, c n stare lichid sunt prezente nc legturi metalice. Energia relativ mic, necesar trecerii unui metal din stare solid n stare lichid, este justificat de faptul c n aceast transformare sunt distruse un numr relativ mic de legturi. Pe de alt parte, energia mult mai mare necesar trecerii din stare lichid n stare de vapori este justificat de faptul c aceast transformare impune distrugerea marii majoriti a legturilor pentru a permite trecerea metalului n stare atomic sau sub form de agregate mici n stare de vapori, aa cum reiese din Figura 3.

7

Figura 3 Metalele n sistemul periodic al elementeleor variaia punctelor de topire

(6) Conductibilitatea electric este foarte mare, fiind considerat cea mai important proprietate a metalelor. Valori mari are i conductibilitatea termic. n raport cu electroliii, conductibilitatea electric a metalelor este de circa 108 ori mai mare. Conductibilitatea electrica scade cu creterea temperaturii, deoarece oscilaiile atomilor se intensific, iar undele staionare ale electronilor se formeaz mai greu. Prin micorarea temperaturii conductibilitatea crete; la temperaturi apropiate de zero absolut, unele metale prezint fenomenul de supraconductibilitate, adic nu mai opun nici o rezisten la trecerea curentului electric. Spre deosebire de metale, conductibilitatea electric a electroliilor crete cu temperatura, deoarece n acelai sens crete i mobilitatea ionilor.

(7) Proprietile magnetice sunt diferite. Unele metale se magnetizeaz puternic, pstrnd magnetismul i dup ndeprtarea cmpului magnetic inductor. Aceste metale se numesc feromagnetice (Fe, Co i Ni). Alte metale au proprieti magnetice slabe, fr a pstra aceste proprieti dup ndeprtarea cmpului magnetic inductor. Ele se numesc paramagnetice. Din aceast grup fac parte majoritatea metalelor tranziionale. Metalele care nu se magnetizeaz sunt respinse de un cmp magnetic i se numesc diamagnetice (Cu, Ag, Au, Sn, Pb, Pi).

(8) Proprietile mecanice indic modul de comportare a metalelor sub aciunea diferitelor fore exterioare. Dintre proprietile mecanice deosebim rezistena mecanic, elasticitatea, plasticitatea, maleabilitatea, ductibilitatea, tenacitatea, fluajul, duritatea etc.

Rezistena mecanic const n mpotrivirea metalelor la aciunea forelor exterioare care tind s le rup. Dintre solicitrile mecanice la care pot fi supuse metalele, deosebim traciunea (ntinderea), compresiunea, ncovoierea i rsucirea (torsiunea). Elasticitatea este proprietatea metalelor de a reveni la forma i dimensiunile iniiale dup ncetarea aciunii sarcinilor exterioare care au produs deformarea. Majoritatea metalelor sunt plastice, putnd fi uor prelucrate la cald sau la rece prin operaii de forjare, laminare, ambutisare etc. Plasticitatea este proprietatea metalelor de a se deforma sub aciunea sarcinilor exterioare, fr a se fisura sau sfrma, fr a-i schimba volumul i fr a reveni la forma iniial. Aurul este cel mai plastic metal, dup care urmeaz: Ag, Pt, Mg, Al, Pb, Sn, Nb, Ta, Hf, i Cu. Unele metale au plasticitate redus, sunt casante i nu pot fi prelucrate sub presiune: Ti, Cr, -Mn, Zn tehnic, Ge, Zr, Sb, Ru, Os, Ir, U (impur). Plasticitatea influeneaz maleabilitatea i ductibilitatea. Maleabilitatea este capacitatea unui metal de a fi tras n foi, prin comprimare la o temperatur inferioar punctului de topire. Unele metale cum sunt: Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni i Ta pot fi prelucrate n foi de ordinul micronilor i anume : Au 0,08 ; Al 0,6 ; Cu 2,6 ; Ta 40 ; Ag 0,1 ; Pt 2,5 ; Ni 20 . Se lamineaz uor la rece: Mg, Sr, Be, La, Tl, Ti, Zr, Hf, Sn, Pb, Nb, Ta, Mo, Fe, Ca, Pd, Ir i Tb. Zincul este maleabil i se lamineaz ntre 273-423 K, radiul ntre 1073-1173 K, iar bismutul ntre 303-523 K. Galiul este foarte puin maleabil: iar beriliul, dei nu este casant, nu se poate lamina.

8

Ductilitatea este proprietatea metalelor de a fi trase n fire, prin procesul de trefilare. Cele mai ductile metale

sunt: Au, Ag, Pt, Ni i Ta. Din 1 g Au sau Ag se pot trage fire de 2 000 m, respectiv 1800 m. Se trefileaz uor i Mo, Zr, Nb, Co, Fe, Cu, Al, Sr, La, Th i U. Un numr mic de metale cum sunt: Be, In, Pb. Tl i Ti nu se pot trefila.

Tenacitatea este proprietatea metalelor de a rezista mai mult timp la diferite eforturi, deformndu-se mult

nainte de rupere. Cea mai mare tenacitate, sau rezisten la rupere, revine n ordine descrescnd metalelor: W, Mo, Ta, Zr, Nb, 'Ti, Th, Co, Ni, Pd, Fe, Cu, Ag, Au, Al etc., iar cea mai mic tenacitate o au Bi, T1, Pb, In, Ga i Sn. Fluajul este proprietatea metalelor de a se deforma lent i continuu n timp, sub aciunea unei sarcini constante. Duritatea reprezint rezistena opus de metale la zgrierea sau la ptrunderea unui corp i se exprim convenional cu valori de la 1-10 n scara mineralogic Mohs (vezi tab. 8.2), sau n uniti Brinell (kg / mm2). Metalele cu duritatea cea mai mare sunt: Re (7,4) i Os (7,0) urmate de Be (6,7), In (6,5), Pt (4,3) .a., iar cu duritatea cea mai mic sunt: Cs (0,2) urmat de Rb (0,3), Na (0,4), K (0,5), Li (0,6), etc. (Tabelul 4 i Figura 4) Tabelul 4. Scala duritii Mohs

Scara de

duritate

Mohs

Mineral Etalon Duritate

absolut Imagine Prelucrare

Alte minerale cu

duritate analogic

1 Talc (Mg3Si4O10(OH)2) 1

poate fi zgriat cu unghia; cel

mai moale minerale Grafitul

2 Gips (CaSO42H2O) 3

poate fi zgriat cu unghia Galit, Hlorit

3 Calcit (CaCO3) 9

poate fi zgriat cu o moned din bronz

Biotit, Aur, Argint

4 Fluorin (CaF2) 21

poate fi zgriat cu cuitul, sticla

Dolomit, Sfalerit

5 Apatit (Ca5(PO4)3(OH-

,Cl-,F-)) 48

poate fi zgriat cu cuitul, sticla

Hematit, Lapis lazuli

6 Ortoza/ortoclaza (KAlSi3O8)

72

poate fi zgriat cu Opal, Rutil

7 Cuar (SiO2) 100

poate fi zgriat cu cu diamantul, zgrie sticla

Granat, Turmalin

8 Topaz

(Al2SiO4(OH-,F-)2) 200

se prelucreaz cu diamantul, zgrie sticla

Beril, Spinel

9 Corindon (Al2O3) 400

se prelucreaz cu diamantul, zgrie sticla

10 Diamant (C) 1600

Taie orice

9

Figura 4 Duritatea metalelor n scala Mohs 2.1.2. Aliaje

Dei numrul metalelor este relativ mare, sunt totui insuficiente spre a se satisface prin proprietile lor nevoile tehnicii moderne. Practic s-a constatat c prin adugarea la metalele pure a anumitor substane (oxizi, carburi) sau a altor metale, nemetale sau semimetale, se obin amestecuri cu proprieti fizico-chimice superioare. Aceste amestecuri cu proprieti metalice, constituite din dou sau mai multe elemente, dintre care cel puin elementul predominant este un metal poart denumirea de aliaje. Aliajele pot fi formate din dou metale (aliaje binare), din trei metale (aliaje ternare), din patru metale (aliaje cuaternare) sau mai multe metale

(aliaje polinare). Majoritatea aliajelor n stare topit se amestec n orice proporie, dar unele metale sau semimetale nu se amestec n stare topit cu alte metale, de exemplu: Al cu Pb, Ag cu Fe, Te cu Pb. Unele metale se dizolv la topire numai ntr-o anumit proporie. De exemplu, Zn i Pb topite mpreun dau un amestec omogen, dar lsate n repaus formeaz dou straturi: stratul inferior, mai dens, este format din plumb ce conine puin zinc, iar stratul superior este format din zinc care conine o anumit cantitate de plumb.

Multe metale formeaz amestecuri omogene n stare topit i solid dnd soluii solide. Astfel de soluii se formeaz atunci cnd atomii metalelor care formeaz aliajul se pot substitui reciproc n reeaua cristalin, fr a se modifica structural.

Aliajele se caracterizeaz n general prin proprietti calitativ superioare fa de cele corespunztoare elementelor componente. Temperatura de topire a aliajelor este de foarte multe ori inferioar componentei mai uor fuzibile. Duritatea i rezistena aliajelor sunt de obicei mai mari dect ale componentelor. Datorit acestor caliti ct i a altora, aliajele reprezint materiale mult mai solicitate n tehnica modern dect metalele n stare pur. n tabelul 5 sunt prezentate cteva exemple de aliaje metalice. Tabelul 5. Exemple de aliaje metalice

Denumire Compoziie, [%] ntrebuinri, caracteristici

Alam Alam forjabil

5590% Cu; rest % Zn 60% Cu; 40% Zn

Armturi Construcii maini

Alam tare Alpaka (argentan)

58% Cu; 40% Zn; 2% Pb

4666% Cu; 1931% Zn; 1336% Ni

Armturi garnituri Rezistent la coroziune

Aur 14 carate

Aur 18 carate

58 Au%; 14-28% Cu; 4-28% Ag

75 Au%; 10-20%Ag; 5-15% Cu

Bijuterii

Bijuterii

Bronz

Bronz aluminiu Bronz de fosfor

35-98% Cu; 2-65% Sn

80-98% Cu; 2-20% Al

72-95% Cu; 4-12% Sn; 20% Zn;

0,58% P

Construcii maini Dur, rezistent la apa mrii Rezisten mecanic mare

0 2 4 6 8

10 12

Dia

man

t

Cr

W

Pt

Fe

Cu

Al

Ag

Zn

Au

Ca

Mg

Sn

Pb

K

Na

DURITATE PE SCARA MOHS

10

Constantan

Duraluminiu

60% Cu; 4%0 Ni

2,5-5,5% Cu; 0,2-1% Si; max. 1,2-

2% Mg; rest % Al

Termoelemente, rezistene Construcii maini

Elektron AM 503

Kanthal

0-0,1% Al; 0-0,1% Zn; 1,5-2,2%

Mn;

0-0,3% Si; rest% Mg

20% Cr; 5% Al; 1,5-3% Co; rest%

Fe

Cilindrii motoare

Rezistene electrice pn la 1350C

Metal monel Nichelin

67-70% Ni; 25-30% Cu; rest%

Fe+Mn+Si+C+S+P

55-68% Cu; 19-33% Ni; 18% Zn

Palete turbin cu abur Rezisten mare

Widia 5,4-8% C; 5,5-11% Co; 0,7% sau

12%, rest% W

Cuite strung

2.1.3. Proprieti chimice Proprietile chimice fundamentale ale elementelor n general i ale celor cu caracter metalic n special sunt: starea de oxidare i caracterul lor electrochimic. Starea de oxidare este o proprietate care variaz n anumite limite n funcie de natura elementului considerat. Pentru elementele metalice de tip s i p, starea de oxidare este n general dat de numrul grupei din care face parte elementul, i cu puine excepii, aceasta reprezint unica valen a elementului respectiv. Pentru metalele tranziionale de tip d, starea de oxidare prezint o gam mult mai mare de valori cea maxim fiind dat de numrul unitilor grupei ca o consecin a particularitilor structurii lor electronice. n ceea ce privete stabilitatea relativ a diverselor stri de oxidare manifestate de un element dat se constat urmtoarele tendine: pentru metalele de tip s i p stabilitatea strii de oxidare superioare scade n grup cu Z ca o consecin a

efectului perechii de electroni ineri, de exemplu Tl(I) este mai stabil ca Tl(III); pentru metalele tranziionale se constat o variaie invers, stabilitatea strii de oxidare superioare crete n

grup cu Z. Aceast variaie se atribuie faptului c n trecerea de la prima la a doua, respectiv a treia serie de metale tranziionale, separarea energetic ntre orbitalii ns i (n1)d descrete i electronii periferici sunt mai slab atrai de nucleu pe msur ce crete volumul atomului.

Din considerente energetice, se poate afirma c elementele nu pot exista n soluie sub forma unor ioni monoatomici n stri de oxidare mai mari de trei. n astfel de stri de oxidare elementele pot exista n soluie apoas numai sub form de ioni compleci. Pentru compuii n stare solid nu exist astfel de restricii, deoarece sarcina mare a ionului metalic este neutralizat de anionii din imediata vecintate. Strile de oxidare superioare ale elementelor se realizeaz n general n combinaii de tipul fluorurilor i oxizilor, deci n combinaii de elemente cu pronunat caracter electronegativ. Caracterul electrochimic al metalelor este o msur direct a tendinei acestora de a forma ioni n soluie, conform reaciei: M

+ (aq) M

n+ (aq) + ne

Numeric, aceast tendin este apreciat prin valoarea potenialelor normale (standard) ale metalelor. Potenialul de electrod standard, potenial redox sau potenial electrochimic este FEM care se stabilete ntre un metal aflat la 298 K, ntr-o soluie a ionilor si de concentraie 1M, n raport cu electrodul normal de hidrogen ( CM = 1; PH2 = 1,013105 N/m2 ), considerat convenional, ca avnd potenialul standard egal cu zero voli. n tabelul 6 se dau potenialele standard de reducere ale metalelor, n ordinea descresctoare a valorii . Dup A. Volta i N.M. Beketov, metalele pot fi aranjate n raport cu valorile potenialelor standard de reducere ntr-o serie numit seria tensiunilor metalelor n scara de hidrogen ( = 0 voli), sau seria potenialelor electrochimice (Figura 5) :

11

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

Figura 5 Seria activitii metalelor = seria tensiunilor chimice = seria Beketov Volta

Tabel 6. Poteniale standard de reducere ale unor metale

La aceast clasificare s-a ajuns n urma studierii reaciilor (redox) de deplasare a unor elemente mai puin active din combinaiile lor, cu ajutorul altor elemente, mai active din punct de vedere chimic. Astfel din reaciile:

Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu sau Fe0 + Cu

2+ Fe2+ + Cu0

Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 sau Zn + 2H+ Zn2+ + 2H0

rezult c fierul i zincul sunt mai active i deplaseaz din combinaiile lor, cuprul i hidrogenul, elemente mai puin active.

Metalele sunt aezate n serie n ordinea descresctoare a capacitii de a ceda electroni, caracterului reductor, oxidabilitii, reactivitii chimice, sau n ordinea cresctoare a stabilitii chimice. Potrivit poziiei lor fa de hidrogen, metalele prezint proprieti caracteristice, ilustrate n tabelul 7. Aa spre exemplu litiul, elementul cel mai puin electropozitiv din grupa metalelor alcaline are un potenial redox neobinuit de mare, din cauza energiei de hidratare foarte mari a ionului Li+, caracterizat printr-un volum ionic mic.

Potenialul de electrod al unui metal depinde de concentraia lui n soluie, conform ecuaiei Nernst. Un metal va aciona deci ca un reductor cu att mai puternic, cu ct concentraia ionilor lui n soluie este mai mic i invers.

Proprietile electrochimice ale metalelor i fenomenele de oxido-reducere stau la baza procesului de rafinare electrochimic a metalelor, permind explicarea fenomenelor de coroziune i a funcionrii surselor chimice de curent.

12

Tabel 7. Proprietile metalelor Proprieti caracteristice

Elemente din stnga H Elemente din dreapta H

Capacitatea de a

ceda electroni

Mare i descrescnd; metalele alcaline emit electroni chiar la lumina solar (efectul fotoelectric)

Mic i descrescnd

Oxidabilitatea Mare i descrescnd; metalele alcaline se pstreaz sub petrol, kerosen sau ulei de parafin

Mic i descrescnd

Reactivitatea chimic

Mare i descrescnd; metalele foarte active sunt mai stabile sub form de ioni

Mic i descrescnd; metalele puin active sunt mai stabile sub form de atomi

Caracterul

reductor Intens i descrescnd; metalele din extrema stng se folosesc ca ageni reductori

Slab i descrescnd

Stabilitatea chimic

Mic i descrescnd Mare i crescnd; Hg caracter seminobil, Au i metalele platinice (ruteniu, osmiu, rodiu, iridiu, paladiu i platina) aucaracter nobil.

Stare natural Practic, exclusiv combinate Att combinate (mai ales Cu), ct i libere (mai ales Au); proporia n care se gsesc libere crte ctre extrema dreapt

Metode de obinere

n general dificile; gradul de dificultate al extraciei metalului scade spre dreapta (pn la Al, inclusiv, electrolitic)

n general simple; (prjire i reducere, descompunere termic, splare)

Comportarea fa de ap

Descompun apa la temperatura obinuit, cu deplasarea H2: 2M + 2H2O 2MOH +H2 M = Na, K, M + 2H2O M(OH)2 +H2 M = Ca, Ba, .. sau la temperaturi ridicate

3Fe(s) + 4H2O(g) Ct Fe3O4(g) + 4H2(g)

Al(s) + 3H2O(g) Ct Al(OH)3(s) + 3/2H2(g)

Nu reacioneaz cu apa nici la temperaturi ridicate

Comportarea

fa de hidracizi n general se dizolv n hidracizi cu deplasarea H2: Zn + 2HCl ZnCl2 + H2

Nu reacioneaz cu apa nici la temperaturi ridicate

Comportarea

fa de oxoacizi n general se dizolv n oxoacizii diluai cu deplasarea H2:

2Al + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 3H2 Observaie: sunt unele cazuri (n funcie de condiiile de reacie: temperatur, concentraie acid, potenial standard metal) cnd aceste metale se comport ca cele din dreapta H, de exemplu:

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

Oxoacizii sunt dizolvani specifici ai acestor metale, dar nu este deplasat H2, ci se formeaz un oxid provenit din acid: 3Ag + 4HNO3 3AgNO3 + NO +2H2O 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O Cu + 2H2SO4 CuSO4 + SO2 + 2H2O

Comportarea fa de hidroxizi alcalini

Cu hidroxizii alcalini reacioneaz metalele cu pronunat caracter amfoter (Zn, Al, Sn, Pb, Cr) cu formare de hidroxocompleci: zincai, aluminai, etc. i cu deplasarea H2: Zn + 2NaOH + 2H2O Na2[Zn(OH)4] + H2 2Al + 2NaOH + 6H2O 2Na[Al(OH)4] + 3H2 Sn + 2NaOH + 4H2O Na2[Sn(OH)6] + 2H2

Metalele din dreapta H, ca de exemplu Re, sunt atacate de topiturile alcalino-oxidante (deci

condiii energice) cu formare de sruri (perrenai).