Ligas Metálicas - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
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Maraca1 de Março de 2013

Ligas Metálicas - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

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Apostilas sobre o estudo da ligas metálicas, principais tipos de metais, principais tipos de ligas metálicas, características físicas e químicas do metal.
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INTRODUÇÃO

Metais: Em Química um metal (do grego antigo μέταλλον, métalon) é um elemento, substância ou liga caracterizado por sua boa condutividade elétrica e de calor, geralmente apresentando cor prateada ou amarelada, um alto ponto de fusão e de ebulição e uma elevada dureza. Qualquer metal pode ser definido também como um elemento químico que forma aglomerados de átomos com caráter metálico.

Em um metal cada átomo exerce apenas uma fraca atração nos elétrons mais externos, da camada de valência, que podem então fluir livremente, proporcionando a formação de íons positivos (ou cátions) e o estabelecimento de ligações iônicas com não-metais. Os elétrons de valência são também responsáveis pela alta condutividade dos metais (teoria de bandas).

Os metais são um dos três grupos dos elementos distinguidos por suas propriedades de ionização e de ligação, junto com os metalóides (essa primeira classificação está caindo em desuso, por isso os metalóides foram revisados e alguns foram classificados como metais, e outros como ametais) e os não-metais. A maioria dos metais é quimicamente estável, com a exceção notável dos metais alcalinos e alcalino-terrosos, encontrados nas duas primeiras colunas à esquerda da tabela periódica. Alguns elementos antes classificados como metalóides, hoje são considerados metais, são esses o Germânio,Antimônio e Polônio, os demais são considerados ametais.

Ligas metálicas: são substâncias resultantes da mistura de dois ou mais elementos, entre os quais pelo menos um é metal. Na maior parte das vezes recorre-se às ligas metálicas para dar aos metais determinadas propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas ou anticorrosivas.

Os metais utilizados pela indústria raramente apresentam todas as características desejadas para uma aplicação específica. Caso seja muito quebradiço, ou muito mole, ou pouco resistente à oxidação, busca-se obter uma liga com outro elemento que resulte num material de maior resistência mecânica, duração ou outra qualidade desejável. Por apresentarem propriedades e características físicas mais satisfatórias que as de seus componentes, as ligas metálicas têm importância primordial na indústria metalúrgica.

O procedimento mais frequente na preparação de ligas metálicas consiste em fundir, em primeiro lugar, o metal cujo ponto de fusão é mais elevado, acrescentando-se em seguida os demais componentes. Também é possível inverter a ordem ou fundir os componentes simultaneamente. O método de fusão mais simples é o do cadinho, utilizado em pequenas fundições. Quando é necessário obter grandes quantidades de liga, usam-se fornos elétricos de diferentes tipos, como os de arco e de indução de baixa ou alta freqüência.

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A preparação de algumas ligas metálicas consiste no próprio processo de obtenção do metal, já que alguns minérios já contêm os elementos necessários à liga que se deseja obter. Um exemplo disso é o bronze (liga de cobre e estanho), primeira liga utilizada pelo homem, há mais de cinco milênios. Os homens primitivos fabricavam bronze pela simples fundição do minério de cobre, que já continha estanho.

DESENVOLVIMENTO

Principais Tipos de Metais

Os metais mais conhecidos são:

Ferro: É pouco maleável, tem densidade de 7,86g/cm3 (1atm, 300k), e é pouquíssimo resistente à corrosão. Contudo, graças à interferência do homem, o ferro se tornou um metal bastante versátil - e, a partir dele, podemos confeccionar, por exemplo, panelas, portões, carcaças de máquinas e, principalmente, a liga de aço.

Prata: É um metal de transição externa de alto potencial redutivo, ou seja, é muito difícil de oxidar (por isso a sua grande utilização em procedimentos que não podem sofrer com a “ferrugem”). É sólido, apresenta coloração esbranquiçada e brilhante nas condições ambiente, e pela denominação latina de Argentum possui símbolo químico Ag.

Alumínio: é produzido em quantidades maiores do que qualquer outro metal industrial, exceto o aço. Prateado, é resistente e leve, pouco suscetível à corrosão e reciclável. É principalmente usado como elementos estruturais nos meios de transportes ,embalagens , construção civil, etc.

Cobre: em sua forma metálica, apresenta alta durabilidade, boa resistência à corrosão, boa maleabilidade e ductilidade. Essas duas últimas propriedades fazem dele um metal diferenciado, pois, normalmente, os metais resistentes não são maleáveis. O cobre pode ser transformado em fios, lâminas, bastões etc.

Ouro: é o metal mais maleável e dúctil. Exemplo: um grama de ouro pode ser transformado em lâminas de até um metro quadrado, além de ser um bom condutor de calor e eletricidade. A razão pela qual o ouro foi escolhido para fabricar jóias preciosas é pelo fato de ser quimicamente estável, ou seja, não é atacado pela maioria dos reagentes, preservando assim sua beleza.

Titânio: resistente à corrosão; possui elétrica; metal dúctil; metal fácil de ser moldado, metal leve de alta resistência alta condutividade, possui coloração branca metálica,sólido à temperatura ambiente. É usado na indústria química, naval, aeronáutica , bélica , etc.

Zinco: é um metal branco que perde o brilho rapidamente, possui coloração cinza-azulada. Seu preparo é feito por aquecimento para formar o óxido e em seguida reduzido por fusão com o

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carbono. O processo de purificação é por destilação. E possui uma importante propriedade, ele não sofre corrosão.É usado principalmente na produção de ligas.

Principais Tipos de ligas metálicas

As ligas dividem-se em dois grandes grupos: ferrosas e não-ferrosas. Entre as primeiras, mais importantes sob o ponto de vista do volume de produção e da diversidade de propriedades, figuram os diversos tipos de aço, enquanto as não-ferrosas se caracterizam por suas propriedades específicas, como leveza ou resistência à corrosão.

Ligas à base de ferro: O aço comum é constituído de ferro e uma proporção de carbono, em geral inferior a 1,8%. A partir do aço comum se produzem materiais como o aço inoxidável, que contém níquel, titânio e cromo, e os aços especiais, com maiores concentrações desses e de outros elementos, de acordo com a aplicação a que se destinem. Outro tipo de ligas metálicas de ferro são as de ferro-níquel, com quarenta a cinquenta por cento de níquel, que se caracterizam pelo coeficiente de dilatação muito baixo.São geralmente aplicadas em máquinas,ferramentas , em construções etc.

Ligas à base de cobre: Entre as ligas de cobre se incluem algumas de uso muito frequente, como o latão, formado de cobre e zinco, e o bronze, de cobre com um máximo de dez por cento de estanho. As ligas não-ferrosas à base de cobre ocupam o segundo lugar em volume de produção, depois das ligas de ferro.E são geralmente aplicados na fabricação de molas de elevada resistência, na fabricação de objetos de uso doméstico etc.

Ligas à base de alumínio: Também comuns, as ligas de alumínio podem ser usadas em fundição, caso das que contêm silício. Entre as ligas forjadas de alumínio, que contêm cerca de quatro por cento de cobre e 0,6% de magnésio, ou um por cento de silício e um por cento de magnésio, se inclui o duralumínio, liga endurecível por envelhecimento.

Ligas de chumbo e estanho: A solda é a mais conhecida das ligas à base de estanho e contém quarenta a cinqüenta por cento desse metal. O chumbo duro, liga de chumbo com 10 a 13% de antimônio, se usa na fabricação de placas de bateria.

Ligas de manganês: Chamam-se ligas de manganês aquelas que combinam esse metal com cobre e níquel e apresentam coeficiente de dilatação térmica inusitadamente alto. São mais usadas em indústrias metalúrgicas

Ligas de metais preciosos: Entre as muitas ligas de metais preciosos que constituem o material básico da joalheria, podem-se mencionar a alpaca, de prata, cobre, níquel e zinco; a prata de lei, combinada com cobre; e as ligas de ouro, com diversos metais, que conferem ao metal resistência ao desgaste. O ouro puro tem 24 quilates, e as ligas, valores proporcionalmente inferiores.

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Características físicas e químicas do metal

Condutividade:

A condutividade térmica quantifica a habilidade dos materiais de conduzir calor. Materiais com alta condutividade térmica conduzem calor de forma mais rápida que os materiais com baixa condutividade térmica. A condutividade elétrica () é usada para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é o recíproco da resistividade. Ela é indicativa da facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica.Os metais são por natureza bons condutores térmicos e elétricos.

Maleabilidade:

A maleabilidade é uma propriedade que junto a ductilidade apresentam os corpos ao serem moldados por deformação. A diferença é que a ductibilidade se refere a formação de filamentos e a maleabilidade permite a formação de delgadas lâminas do material sem que este se rompa, tendo em comum que não existe nenhum método para quantificá-los. Em muitos casos, a maleabilidade de uma substância metálica aumenta com a temperatura. Por isso, os metais são trabalhados mais facilmente a quente.Os metais são fáceis de ser transformados em lâminas.

Elasticidade:

A elasticidade estuda o comportamento de corpos materiais que se deformam ao serem submetidos a ações externas (forças devidas ao contato com outros corpos, ação gravitacional agindo sobre sua massa, etc.), retornando à sua forma original quando a ação externa é removida. Até um certo limite ela depende do material e temperatura. A elasticidade linear, entretanto, é uma aproximação; os materiais reais exibem algum grau de comportamento não- linear.Os metais apresentam alta capacidade de voltar ao normal após serem esticados.

Brilho:

O Brilho ou lustre é um termo que descreve o modo como a luz é refletida pela superfície de um mineral, ou qualquer outra superfície polida. A reflectividade de uma substância é dada pela razão entre a quantidade de luz reflectida e a quantidade de luz incidente. Os metais têm brilho, que recebe o nome característico de brilho metálico.

Cristalografia:

Os metais apresentam grande diversidade de propriedades físicas e químicas, conforme a pressão, temperatura e outras variáveis, diferentes tipos de mecanismos e estruturas de cristalização, o que também lhe altera as características.

Geralmente, os metais apresentam ordenação cristalina simples, com alto nível de aglutinação atômica (o que implica alta densidade) e numerosos elementos de simetria. No que se refere às

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combinações, apresentam forte tendência a não formar compostos entre si, mas têm afinidade com elementos não metálicos como o oxigênio e o enxofre, com os quais formam, respectivamente, óxidos esulfetos.

Metalografia:

O tamanho, forma e disposição das partículas metálicas, especificados pela metalografia, são fundamentais para o reconhecimento das propriedades físicas que determinam a plasticidade, resistência àtração, dureza e outras propriedades do material. Esses fatores podem ser alterados por tratamentos térmicos (ciclos de aquecimento resfriamento controlados) ou mecânicos (forjamento, trefilação,laminação, etc.).Com exceção do mercúrio, os metais se caracterizam por estarem no estado sólido em temperatura ambiente.

Do ponto de vista químico, metal é todo elemento eletropositivo, ou seja, aquele cujos átomos formam íons positivos em solução. Os metais constituem cerca de 75% do sistema periódico dos elementos.

Possuem, em seu nível mais externo, denominado nível de valência, no máximo três elétrons, excetuados o estanho e o chumbo (que possuem quatro elétrons) e o bismuto e o antimônio (cinco elétrons).

O metal é profundamente afetado pela presença de quantidades relativamente pequenas de outros elementos. Exemplo disso é a liga denominada aço, cujas importantes características se devem à pequena quantidade de carbono (aproximadamente 0,5% desse elemento) adicionada ao ferro.

Apenas alguns metais, como o ouro, a prata, o cobre, a platina e o bismuto ocorrem na natureza em sua forma elementar. Quase sempre os metais são encontrados em forma de óxidos ou sulfetos, nos minerais que contêm quantidades variáveis de impureza (ganga), como argila, granito e sílica, de que os compostos metálicos devem ser separados.

Aparecem ainda como cloretos, carbonatos, sulfatos, silicatos, etc. O principal problema é reduzi-los de seus compostos à forma elementar. Dificilmente os mesmos processos podem ser aplicados a todos os metais, em virtude das grandes diferenças físicas e químicas entre eles.

Características físicas e químicas das ligas metálicas

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As ligas metálicas possuem algumas particularidades que os metais puros não apresentam. Justamente por isso, são produzidas e utilizadas em abundância. Vejamos as propriedades das ligações metálicas:

Aumento da dureza: se pegarmos, por exemplo, o elemento Ouro (Au) da forma como é encontrado na natureza não conseguiríamos fabricar nenhum objeto consistente, pois ele é mais maleável que a grande maioria dos metais. Mas se adicionarmos a ele a prata (Ag) e o cobre (Cu) formaremos uma ligação metálica, aumentando a dureza e permitindo sua utilização para fabricar joias, como anéis, pulseiras, relógios, etc.

Essa liga metálica é também conhecida por Ouro 18 quilates e apresenta 75% em massa de ouro e os outros 25% correspondem à prata e ao cobre.

Aumento da resistência mecânica: para fabricar materiais que tenham maior resistência ao manuseio, é preciso recorrer à ligação entre os metais. O aço, por exemplo, é formado por ferro (Fe) e carbono (C). Essa liga fica tão resistente que é usada na fabricação de peças metálicas que sofrem tração elevada. Exemplos:

Aço cirúrgico: é usado para a obtenção de instrumentos cirúrgicos, por apresentar alta resistência à oxidação.

Aço inox: é uma liga dos metais ferro (Fe), carbono (C), cromo (Cr) e níquel (Ni); é usada para fabricar talheres para cozinha, peças de carro, etc.

Aplicações das ligas metálicas

As indústrias automobilísticas, aeronáuticas, navais, bélicas e de construção civil são as principais responsáveis pelo consumo de metal em grande escala. São também representativos os setores de eletrônica e comunicações, cujo consumo de metal, apesar de quantitativamente inferior, tem importância capital para a economia contemporânea.As ligas metálicas podem também ser classificadas em função de seu uso. Assim, as de antifricção destinam-se a suavizar o atrito entre peças de maquinaria, e as fusíveis -- entre elas as ligas Newton, Rose, Darcet e Wood, que contêm proporções variáveis de bismuto, chumbo, estanho e cádmio -- são empregadas como elementos térmicos de segurança. As ligas resistentes à corrosão e à oxidação são fundamentais para a construção naval, em que se usa muito a liga Monel, de níquel com pequena percentagem de cobre e ferro.

As ligas magnéticas -- como o permalói e o ticonal, constituídos de ferro, níquel, cobalto e titânio -- mantêm suas propriedades permanentemente e representaram um grande avanço na comunicação por cabo submarino. Finalmente, as ligas refratárias, de grande resistência à

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corrosão, ao calor e a radiações, são utilizadas como material de construção em usinas nucleares e na indústria aeroespacial.

Aplicação dos metais

Apesar da grande variedade de metais existentes, a maioria não é empregada em estado puro, mas em ligas com propriedades alteradas em relação ao material inicial, o que visa, entre outras coisas, a reduzir os custos de produção.

As indústrias automobilística, aeronáutica, naval, bélica e de construção civil são as principais responsáveis pelo consumo de metal em grande escala.

São também representativos os setores de eletrônica e comunicações, cujo consumo de metal, apesar de quantitativamente inferior, tem importância capital para a economia contemporânea.

CONCLUSÃO

Com esse trabalho podemos concluir que os metais e as ligas metálicas são objetos muito importantes para a humanidade, pela sua aplicação em várias áreas. Que facilitam bastante à vida do ser humano.

REFERÊNCIAS:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Metal

http://www.mundovestibular.com.br/articles/1206/1/METAIS/Paacutegina1.html

http://www.mundoeducacao.com.br/quimica/ligacao-metalica.htm

http://www.coladaweb.com/quimica/quimica-geral/ligas

http://www.alunosonline.com.br/quimica/metais.html

http://educacao.uol.com.br/quimica/ferro-ocorrencia-obtencao-industrial-propriedades-e- utilizacao.jhtm

http://www.infoescola.com/elementos-quimicos/prata/

http://www.coladaweb.com/quimica/elementos-quimicos/propriedades-do-aluminio

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http://educacao.uol.com.br/quimica/cobre-ocorrencia-obtencao-industrial-propriedades-e- utilizacao.jhtm

http://www.brasilescola.com/quimica/ouro.htm

http://www.brasilescola.com/quimica/titanio.htm

http://www.brasilescola.com/quimica/zinco.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/Liga_met%C3%A1lica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Zinco#Aplica.C3.A7.C3.B5es

http://pt.wikipedia.org/wiki/Tit%C3%A2nio#Aplica.C3.A7.C3.B5es

http://pt.wikipedia.org/wiki/Alum%C3%ADnio

http://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o

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