Metais

Propriedades físicas

Metais 金属 e não-metais 非金属 comportam-se muito diferentemente:

Propriedades químicas

Os metais reagem de três maneiras principais:

• com ácidos 酸 diluídos → um sal 盐 + hidrogênio 氢气
• com água fria ou vapor 蒸汽 → um hidróxido (ou óxido) metálico + hidrogênio
• com oxigênio 氧气 → um óxido 氧化物 metálico

Um metal é escolhido para uma tarefa devido às suas propriedades físicas.

• Alumínio 铝 é usado para fazer aviões devido à sua baixa densidade 密度 (é leve).
• Alumínio é usado para cabos elétricos aéreos devido à sua baixa densidade e boa condutividade elétrica.
• Alumínio é usado para recipientes alimentícios porque resiste à corrosão 腐蚀.
• Cobre 铜 é usado para fiação elétrica devido à sua boa condutividade elétrica e ductilidade (pode ser estirado em fios).

Uma liga 合金 é uma mistura 混合物 de um metal com um ou mais outros elementos.

• Latão 黄铜 é uma mistura de cobre e zinc 锌.
• Aço inoxidável 不锈钢 é uma mistura de ferro 铁 com outros elementos como cromo 铬, níquel 镍 e carbono 碳.

Ligas geralmente são mais duras e fortes que os metais puros, o que as torna mais úteis. Por exemplo, o aço inoxidável é usado para talheres porque é duro e não enferruja.

Por que as ligas são mais duras. Em um metal puro, os átomos 原子 são todos do mesmo tamanho, então as camadas 层 podem deslizar umas sobre as outras facilmente. Em uma liga, os átomos de tamanhos diferentes impedem que as camadas deslizem, tornando a liga mais dura e forte.

A série de reatividade 金属活动性顺序 lista os metais em ordem de sua reatividade. Carbono e hidrogênio são incluídos para comparação:

potássio 钾, sódio 钠, cálcio 钙, magnésio 镁, alumínio, carbono, zinco, ferro, hidrogênio, cobre, prata, ouro

(mais reativo no topo, menos reativo na base)

Quanto mais alto está um metal, mais facilmente forma íons positivos 离子. Isso explica suas reações:

• potássio, sódio e cálcio reagem com água fria.
• magnésio reage com vapor (mas muito lentamente com água fria).
• magnésio, zinco e ferro reagem com ácido clorídrico diluído; cobre, prata e ouro não reagem.

Reações de deslocamento

Um metal mais reativo deslocará um metal menos reativo de uma solução de seus íons (uma reação de deslocamento 置换反应). Por exemplo, o zinco desloca o cobre da solução de sulfato de cobre(II), pois o zinco é mais reativo que o cobre:

Esteja pronto para dizer o que você veria, pois são marcas separadas:

• a cor azul da solução desaparece - os íons azul $\text{Cu}^{2+}$ estão sendo consumidos (sulfato de zinco é incolor).
• um sólido rosa-acastanhado reveste o zinco - esse é o cobre deslocado.
• o zinco cinza dissolve e diminui de tamanho.
• a mistura aquece - o deslocamento é exotérmico.

Reações de metal com ácido têm sua própria lista: efervescência 泡腾 (o escape do hidrogênio) e o sólido dissolve. Com óxido de cobre(II) ou carbonato e ácido, adicione que a solução fica azul. Nunca escreva "hidrogênio é liberado" como uma observação - você não pode ver o gás, apenas as bolhas, então escreva efervescência.

Exemplo resolvido. Zinco e alumínio são ambos encontrados como óxidos. Qual pode ser extraído aquecendo com carbono, e por quê? Encontre a posição de cada metal em relação ao carbono na série de reatividade. O zinco fica abaixo do carbono, então o carbono é mais reativo dos dois e pode retirar o oxigênio dele: o óxido de zinco é reduzido aquecendo com carbono. O alumínio fica acima do carbono, então o carbono não é suficientemente reativo para desloca-lo, e o alumínio deve ser extraído por eletrólise - é por isso que o alumínio custa muito mais para extrair. A linha na série que decide o método é a do carbono, não o topo da lista.

O caso especial do alumínio

O alumínio parece menos reativo do que sua posição sugere. Isso ocorre porque ele é coberto por uma fina e forte camada de óxido 氧化层 que impede que outras substâncias alcancem o metal por baixo.

Ferrugem 生锈 é a corrosão do ferro e do aço. Duas coisas são necessárias para a ferrugem: oxigênio (do ar) e água. A ferrugem 铁锈 formada é óxido de ferro(III) hidratado.

Evitando a ferrugem

Métodos de barreira 隔离法 mantêm o oxigênio e a água longe do ferro:

• pintura, graxa (cobertura com óleo) e revestimento com plástico.

Galvanização 镀锌 significa revestir o ferro com uma camada de zinco. Isso funciona de duas formas:

• é uma barreira (o zinco impede o ar e a água);
• oferece proteção sacrificial 牺牲保护. Como o zinco é mais reativo que o ferro, o zinco perde elétrons 电子 e corrói em vez do ferro — mesmo se a superfície for riscada.

Como um metal é retirado de seu minério 矿石 depende de sua posição na série de reatividade. Metais abaixo do carbono podem ser extraídos aquecendo com carbono (que remove o oxigênio). Metais acima do carbono são muito reativos para isso e devem ser extraídos por eletrólise 电解.

Ferro do alto-forno

O ferro é extraído de seu minério hematita 赤铁矿 (óxido de ferro(III)) em um alto-forno 高炉:

• O carbono (coque) queima em ar quente para dar dióxido de carbono e muito calor.
• Este dióxido de carbono 二氧化碳 reage com mais carbono para formar monóxido de carbono 一氧化碳.
• O monóxido de carbono reduz o óxido de ferro(III) a ferro (isto é redução 还原).
• Pedra calcária 石灰石 (carbonato de cálcio) se decompõe pelo calor para formar óxido de cálcio 氧化钙.
• O óxido de cálcio reage com impurezas arenosas para formar escória 炉渣, que é removida.

Alumínio por eletrólise

O alumínio é extraído de seu minério bauxita 铝土矿 (purificado em óxido de alumínio) por eletrólise:

• O óxido de alumínio é dissolvido em criolita 冰晶石 fundida para baixar seu ponto de fusão e economizar energia.
• No cátodo 阴极, íons de alumínio ganham elétrons para formar metal de alumínio.
• No ânodo 阳极, oxigênio é formado. Este oxigênio reage com os ânodos de carbono quentes e os queima, então eles devem ser substituídos regularmente.

• Aprenda a série de reatividade (potássio → ouro). Um metal mais reativo desloca um menos reativo de uma solução de seus íons.
• Metais acima do carbono são extraídos por eletrólise; aqueles abaixo do carbono (como o ferro) podem ser extraídos aquecendo com carbono.
• Ferrugem precisa de ambos água e oxigênio. Métodos de barreira (tinta, óleo) os mantêm fora; galvanização também oferece proteção sacrificial, porque o zinco mais reativo corrói em vez do ferro.
• Ligas são mais duras que metais puros porque átomos de tamanhos diferentes impedem que as camadas de íons deslizuem umas sobre as outras.