Metales

Materiales metálicos

metales

Los metales son un grupo de elementos químicos con unas características que los hacen muy útiles para el hombre, entre las que destacan la conductividad ( caso del cobre ), la resistencia mecánica ( hierro y acero ), la resistencia a las altas temperaturas ( wolframio ), etc.

O sea, tenemos un metal o aleación para cada necesidad de la técnica.

Todos ellos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio.

Los metales no suelen presentarse en la naturaleza en forma pura, sino Hematite-mineralformando óxidos que se encuentran en los minerales. Por ejemplo, la Hematita es un mineral  que contiene  óxido férrico ( Fe2O3 )   con algunas trazas de otros minerales como aluminio, magnesio, etc. Otro mineral usado para obtener el hierro es la magnetita.

Hay otros metales que se presentan en forma pura, como las pepitas de oro

En general, se puede decir que los metales tiene las siguientes propiedades:

  • Maleabilidad: Podemos hacer láminas  de muchos de ellos al pasar por rodillos especiales o con otras técnicas donde se le somete a esfuerzos de compresión.
  • Ductilidad: Con técnicas apropiadas, formamos hilos al someterlo  a esfuerzos de tracción.
  • Tenacidad: Esto sería lo contrario de la fragilidad, o sea, los metales presentan  gran resistencia a  romperse  cuando reciben golpes.
  • Resistencia mecánica:  Cuando los sometemos a las diferentes fuerzas ( tracción, torsión , comprensión..) suele comportarse muy bien.
  • Dureza . La dureza de los metales es muy variable. Tenemos  el acero con una gran dureza o el  aluminio , que es considerado un metal blando. La dureza se define como la resistencia que presenta un material a ser rayado.

Además de las anteriores, también son  opacos, con  alta densidad,  alto punto de fusión y muy buenos conductores del calor y la  electricidad.

Podemos clasificar los metales en base al color, la densidad, los resistente que sea..  Sin embargo, dado que el hierro ha sido el metal mas usado con mucha diferencia, los metales se suelen clasificar en ferrosos ( si tienen hierro ) y no ferrosos ( no tienen hierro ).

Metales ferrosos

Los materiales férricos son aquellos que en su composición tienen principalmente hierro, como el acero ( mezcla de hierro  con un poco de carbono ) o el hierro puro.

En la imagen podemos observar bobinas de acero empleadas para la chapa de los automóviles. Sólo con este uso, ya nos podemos imaginar la demanda tan elevada que hay de este material. Si además tenemos en cuenta que el motor del coche está fabricado básicamente por hierro, sumamos y sumamos.

red de la austenita La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades. Veremos el caso del acero.

Hemos representado un tipo de acero ( la estructura cristalina, o sea, como se colocan los átomos en el material )

Las bolas grises representan los átomos de hierro y las azules los de carbono.

Al formarse la estructura ( hierro en el horno ) los átomos de hierro está moviéndose libremente. Cuando baja la temperatura es como la diana de los metales ( hay que formar filas ) y los átomos de hierro se agrupan de forma que generan ese cubo de la imagen. Como hemos añadido un poquito de carbono ( sobre el 1% ), los átomos de este no metal   se “cuelan” en la formación del cubo ( red cristalina ) creando una aleación con unas propiedades mecánicas mejores.

Según el porcentaje de carbono que tiene, los materiales férricos se clasifican en:

 
Hierro Dulce, con carbono <0.1%. Se oxida muy fácilmente, en cuestión de horas se forma una capa marrón que va destruyendo el material. Es un material blando y magnético, por ello se suele emplear en piezas de electroimanes
  cigueñal-de-acero Aceros donde 0,1% < C < 2%. Tenemos un material donde el carbono es menor al 2%. También se oxidan, son mas duros al tener mas carbono, tenaces, dúctiles y maleables. Se pueden soldar sin problemas y su uso va desde los vehículos de todo tipo, herramientas de corte como la broca y hojas, etc. Si le añadimos un 12% de cromo tenemos el acero inoxidable
   Fundiciones,  cuando el carbono es mayor del 2% y menor del 5%. A mayor carbono, mayor dureza, pero la ductilidad y tenacidad empeoran. Funden a temperaturas menores y son apropiados para fabricar piezas complicadas ( se adaptan muy bien al molde ). Su uso va desde los motores a las rejillas de alcantarillas.

 Metales no férricos

Veremos los metales que pos su uso son mas importantes tubos de cobre

Cobre . Debido a su gran conductividad térmica y eléctrica, su uso queda casi exclusivamente para estos cometidos ( cables, tubos de calderas .. ) ya que no es un material barato. Se suelda con facilidad , es muy dúctil y maleable y cuando se oxida, forma una capa verdosa que le protege .

Aluminio. También es un excelente conductor de la electricidad y del calor. Es muy blando con baja densidad. Como en el caso del cobre ( aunque mejor aún), al oxidarse forma una fina capa de óxido de aluminio que le hace enormemente resistente a la oxidación.

Se usa mucho en la industria de la alimentación debido a su nula toxicidad, así como en marcos de ventanas y aplicaciones del estilo, ya que son resistentes a la humedad, radiaciones solares, etc.

Estaño  

Muy blando e inoxidable. Se emplea fundamentalmente en la soldadura de cobre ( cables eléctricos y tubos de calefacción ) debido a a su bajo punto de fusión.

Otro uso es el recubrimiento de láminas de acero para fabricar la hojalata.

Cinc: Se suele emplear junto con otros metales. Muy resistente a la corrosión, se emplea mucho en el proceso de galvanizado por el cual se añade este elemento a la capa externa del metal ( generalmente un acero ) para crear un material muy resistente en la intemperie.

Los quita-miedos de las carreteras son otro ejemplo entre otros. La gran ventaja es que te olvidas de su mantenimiento ya que no necesita pinturas protectoras.

Existen otros metales como el titanio ( caro, muy duro, resistente a la corrosión ) que se emplea en prótesis médicas , el wolframio … ¿ Sabes de algún otro metal usado en nuestra sociedad que sea interesante ?

Aleaciones

La mezcla de varios elementos químicos, ( uno de ellos debe se metal )  da lugar a un nuevo material mejorando alguna de las  propiedades. A este nuevo material, le llamamos aleación. Veremos algunos de ellos. grifo de laton

Latón . Con una base de cobre, se le añade entre el 5 y 40 % de cinc. En este caso mejoramos al doble la resistencia a la tracción de sus componentes base. Se suele emplear como herrajes, material de fontanería  y accesorios en general.

Bronce. Empleamos de nuevo una base de cobre a la que añadimos  un 10 % de estaño. El resultado es un material mas resistente a la tracción que los latones, resiste a la corrosión y cuando está fundido es muy fluido, por lo que es apropiado para hacer figuras usando moldes. Sus aplicaciones van desde cojinetes o engranajes hasta estatuas.

 

 

Representamos en este apartado un rodamiento general ( las bolas suelen ser de acero ) para que se vea como funciona. Se suele poner en los ejes de las lavadoras, por ejemplo. La siguiente imagen muestra otro tipo de rodamiento donde la jaula es de bronce.

Existen otras muchas aleaciones para dar respuesta a las demanda de la industria. En el caso de la aviación comercial, como el peso es un elemento determinante, las estructuras suelen hacerse de una aleación de aluminio, cobre y magnesio, mejorando las propiedades mecánicas de aluminio considerablemente con un peso muy inferior al hierro.

Actividad 1. Para hacer en grupo de 2:

  1. Crear un documento en Open Office writer y guardarlos con el nombre de metales.
  2. Crear una tabla de 8 filas y una 5 columnas
  3. Cada fila es para cada uno de los metales objeto de estudio donde en las columnas tenemos que poner los términos Obtención, aspecto del metal, propiedades mecánicas, densidad, punto de fusión, aleaciones..
  4. Utiliza los colores de celda apropiado para dar un buen aspecto
  5. Puedes incorporar alguna foto en alguna de las celdas

 

Métodos para obtener los metales

La naturaleza ( excepto algunos casos )  no nos ofrece los metales en su forma pura, y por tanto, a partir de un mineral donde le encontraremos en forma de óxido, hacemos un tratamiento para extraerlo. Veremos dos sistemas. El alto horno y el sistema de electrólisis

Alto Horno.  1º Parte. alto horno

En alto horno  vamos a obtener el mineral de hierro provocando la fundición del mineral junto a piedra  caliza  y coque ( carbón ).

La piedra caliza  se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente y el carbón como material combustible

El alto horno tiene, normalmente,  una altura de unos 30 metros y para evitar la pérdida de calor, las paredes suelen estar hechas con ladrillos refractarios con aislantes especiales.

La mezcla de las 3 sustancias es introducida por la parte superior donde también se encuentra unos respiraderos para la salida de  los gases de la combustión. Además tenemos la entrada del aire ( necesario para que se produzca la combustión del coque ) y salidas para la escoria y el arrabio.

El esquema básico se muestra en la imagen superior y consiste en

  1. Se  añade alternativamente capas de carbón, piedra caliza  y mineral de hierro ( punto A).
  2. En el punto B y por medio de unos fuelles, se fuerza  la entrada de aire  para que haya una buena combustión de la mezcla
  3. Parte del carbón quemado pasa al hierro y otro se combina con el oxígeno para formar gases
  4. La parte que nos interesa y que contiene el material de hierro desciende a la parte mas baja del horno (C)  de donde obtenemos el  arrabio
  5. Las sustancias de desecho ( escoria )  flotan sobre el hierro fundido y son evacuadas por el D.

Gracias a este horno tenemos la reacción química

Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe
Lo veremos por pasos:

 

Coque  (Carbono)
2C
+
Oxígeno del aire
O2
Calor horno
Calor
+
Monóxido de Carbono en gas
2CO
Oxido de Hierro
Fe2O3
+
Monóxido de Carbono
3CO
Hierro líquido
2Fe Hierro
+
Dióxido de Carbono
3CO2
Impurezas  del material Derretido  + Piedra Caliza  ESCORIA

 

2º Parte. Afino

Cuando tenemos el material de hierro dentro del arrabio, el porcentaje de carbono que contiene es demasiado alto y por tanto,  hay que reducirlo hasta determinados porcentajes, según queramos aceros, fundiciones ..

convertidorPara ello usamos un horno convertidor.

Es muy sencillo. Con el arrabio cargado en una gran cubeta, se introduce una lanza por la que entramos el oxígeno. El oxígeno en contacto con el carbono que sobra produce una reacción por la que aporta mas calor y se produce CO2.

Se suele añadir chatarra a la mezcla para reutilizar el material de nuevo.

El tiempo que esté la lanza dentro del convertidor,  determinará cuanto carbono quedará en la cubeta y de esa manera obtenemos  el hierro o la  fundición ” a la carta”.

Obtención de otros metales por electrólisis

Para el cobre o el aluminio, entre otros, es necesario  emplear otros sistemas para sacar celda electroquimica para aluminio el metal puro del mineral que lo contiene. Veremos como se hace para el aluminio, siendo el resto muy similar.

Para la obtención del aluminio primario se realiza por electrólisis de la alúmina ( óxido de aluminio (Al2O3) ) en criolita fundida.

Una de las funciones de la criolita  (Na3AlF6)  es  bajar el  punto de fusión  desde los 2054ºC a los 950ºC. Además se añade otros compuestos menos importantes.

De manera simplificada, el proceso es el siguiente:
Entre el ánodo ( tensión positiva ) y el cátodo ( tensión negativa ) hacemos pasar una corriente eléctrica  con alta intensidad y voltaje reducido. Al pasar los electrones de un grafito al otro, el aluminio metálico se queda en el cátodo y el oxígeno  se queda en el ánodo, reaccionando con carbono y produciendo CO2.
Es un proceso caro dado el coste energético del proceso, por ello , aunque el aluminio es muy abundante en la naturaleza ( en forma de óxidos ) el proceso lo encarece mucho.

En este proceso se forma el aluminio en el Cátodo y oxígeno en el ánodo, que al reaccionar con el Carbono se genera Dióxido de carbono

Nuestro alumno José Antonio Moreno Tejeda nos ha creado una animación para entender un poquito mas este concepto. Pinchar en la imagen para agrandar

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