Tema 7. Introducción a los elementos metálicos y Metalurgia El enlace en los metales ... · 2017....

Tema 7. Introducción a los elementos

metálicos y Metalurgia .

El enlace en los metales. Conductores y

semiconductores. Los metales en la

naturaleza. Preparación de la mena.

Producción de los metales. La metalurgia

del hierro. Manufactura del acero.

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

1

Purificación de metales.

No metales MetalesPropiedades físicas

Malos cond. Electricidad Buenos cond. ElectricidadNo son dúctiles DúctilesNo son maleables MaleablesSin brillo Brillo metálico

Metales y no metales

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

2

Sin brillo Brillo metálicoSólidos, líquidos o gaseosos SólidosBajos puntos de fusión Altos puntos de fusiónMalos conductores del calor Buenos conductores delcalor

Propiedades QuímicasNo reaccionan con ácidos Reaccionan con ácidosForman óxidos ácidos Forman óxidos básicosForman aniones Forman cationesForman haluros covalentes Forman haluros iónicos¿Definen estas propiedades de modo unívoco un metal?

Metales

No Metales

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

3

¿Qué es un metal?•Brillo metálicoSi y I tienen superficies muy brillantes y no son metalesMinerales como la pirita (FeS2) también tienen brillo metálico

•Densidad elevadaEnorme variabilidad: La densidad del Li es la mitad de la del agua y la del Os es 40 veces la del Li

•Dureza elevada Los metales alcalinos son muy blandos.

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

4

•Maleabilidad y DuctilidadAlgunos metales de transición sonquebradizos

•Alta conductividad térmicaAún siendo común entre los metales, sinembargo el C(diamante) tiene una delas conductividades térmicas másimportantes

Definición estricta de metalLa propiedad que mejor define unmetal es la elevada conductividadeléctrica tridimensionalEl C( grafito) tiene una elevadaconductividad bidimensional, T<18ºC elSn no conduce la electricidad. Apresiones fáciles de alcanzar, el I esconductor de la electricidad.

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

5

Criterio físico

Metales: la conductividad eléctrica disminuye con la temperaturaNo metales: la conductividad eléctrica aumenta con la temperatura

Criterio químico

Metales: tienden a perder electrones para formar especies catiónicasNo metales: tienden a ganar electrones para formar especiesaniónicas

Sea cual sea el criterio elegido siempre quedan algunoselementos en la región limítrofe: semimetales (B, Si, Ge y Te)

No metales

Metales

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

6

Metales de la primera serie de transición en orden:

Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn

El enlace en los metales

Cualquier modelo de enlace debe dar cuenta de las propiedade s de los metales

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

7

•Los electrones no están unidos a ningún ion particular y son móviles:explica la conductividad eléctrica.

•Al no estar enlazados a ningún átomo, no están limitados en su capacidad

Se puede describir al metal comouna red de iones positivos en unmar de electrones

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

8

•Al no estar enlazados a ningún átomo, no están limitados en su capacidadde absorber fotones de luz visible.

•Los electrones de la superficie son capaces de irradiar luz de la mismafrecuencia que la luz incidente: brillo

•Por efecto de presión externa, se puede desplazar una capa de ionesmetálicos pero la estructura interna permanece inalterada y el mar deelectrones se reajusta rápidamente: maleabilidad y ductilidad

Primera capaSegunda capa

El enlace metálico. Empaquetamiento compactoLos átomos se sitúan los mas cerca posible.

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

9

Tetraédrico Octaédrico

REDES METÁLICAS COMPACTASTercera capa

ABA Empaquetamiento hexagonal compacto(HCP)

A

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

10

ABC Empaquetamiento cúbico compacto(CCP)

C

Antienlace

banda

En

El enlace metálico

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

11

Antienlace

Enlace

nergía

La conducción en los metales y la teoría de bandas

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

12

Aislante

No conductor Semiconductor P Semiconductor N

Los metales en la naturaleza: minerales

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

13

Los metales en la naturaleza: minerales

Metales nativos Ag, Au, Bi, Cu, Pd, PtCarbonatos BaCO3 (witberita), CaCO3 (calcita, piedra caliza),

MgCO3 (magnesita), CaCO3, MgCO3 (dolomita),PbCO3 (cerusita), ZnCO3 (smithsonita)

Halogenuros CaF2 (fluorita), NaCl (halita), KCI (silvita), Na[AlF6](criolita)

Óxidos Al2O32H2O(bauxita), Al2O3 (corindón), Fe2O3(hematita) FO3O4 (magnetita), Cu2O (cuprita),MnO2 (pirolusita), Sn02 (casiterita), TiO2 (rutilo),ZnO (zincita)

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

14

ZnO (zincita)Fosfatos Ca3(PO4)2 (roca fosfórica), Ca5(PO4)3OH

(hidroxiapatita)Silicatos Be3Al2Si6Ol8 (Berilo), ZrSiO4 (zircón), NaAlSi3O8

(albita), Mg(Si4O1o)(OH)2 (talco)Sulfuros AgS (argentita), CdS (grenoquita), Cu2S

(calcocita), FeS2 (Pirita), HgS (cinabrio), PbS(galena), ZnS (esfalerita)

Sulfatos BaSO4 (Barita), CaSO4 (anhidrita), PbSO4(anglesita), SrSO4 (celestita), MgSO4 7H2O(epsomita)

Los metales en la naturaleza: minerales y su localización geográfica

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

15

Trituración del mineralPreparación de los minerales

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

16

Trituración del mineral

Tamizado del mineral

Enriquecimiento de minerales

ALIMENTACIÓN

Rotación

Descarga del concentrado magnético

Cilindro

SEPARADOR MAGNÉTICO CICLÓN

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

17

Salida del material no magnético

Imanes

SEPARADOR POR FLOTACIÓN

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

18

Obtención de Metales Metal Proceso de reducción

Litio, sodio, magnesio, calcio Reducción electrolítica del cloruro fundido

Aluminio Reducción electrolítica del óxido anhidro (en criolita fundida)

Cromo, manganeso, titanio, Reducción del óxido metálico con un vanadio, hierro y zinc metal mas electropositivo, o reducción

con coque y monóxido de carbonoMercurio, plata, platino, oro Estos metales se encuentran en estado

libre (nativos) o pueden obtenerse por

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

19

libre (nativos) o pueden obtenerse por tostación de sus sulfuros

Calores de reacción de diferentes óxidos y diagrama de Ellingham simplificado que recoge la variación de energía libre de Gibss en función d e la temperatura para algunos de ellos.

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

20

Alimentación de mineral, carbón y otrosObtención de hierro

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

21

Aire comprimido y caliente

Hierro fundidoEscoria

Obtención de aceroMétodo Bessemer

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

22

Obtención de aceroAcero al oxígeno

Tipos de acero Composición

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

23

Tipos de acero Composición (porcentaje en masa)*

Tipo C Mn P S Si Ni Cr Otros

1.35 1.65 0.04 0.05 0.06 - Cu(0.2-0.6) Herramientas, productos laminados

Righ-stren 0.25 1.65 0.04 0.05 0.15-0.9 0.4-1.0 0.3-1.3Cu(0.01-0.08) Construcción,turbinas de vapor.

0.03-1.2 1.0-10 0.04-0.06 0.031-3 1-22 4.0-27Utensilios de cocina, navajas de rasurar.

Inoxidable

Plain

Righ-strength

•Destilación. Los metalesque tienen bajos puntos deebullición, como elmercurio, el magnesio y elzinc, se pueden separar deotros metales pordestilación fraccionada

Zona fundida

Horno Barra de Silicio

Impurezas

Refino de metalesElectrolisis Destilación Fusión por zonas

Introducción a los elementos metálicos y metalurgía

24Barros anódicos

Cátodo

Ánodo

Zona fundida Impurezas