Metais

Os elementos químicos estão agrupados na tabela periódica de acordo com suas propriedades químicas e físicas, se dividindo em: metais, ametais, semimetais e gases nobres. A tabela abaixo mostra onde todos esses grupos se localizam.

Metais representados em laranja

Quais são as características dos metais?

De forma geral, os metais são bons condutores de calor e de eletricidade, são maleáveis, ou seja, podem ser enrolados ou laminados; são dúcteis, isto é, podem ser estirados em finos arames, apresentam alta refletividade e um brilho característico, denominado brilho metálico.

A maioria dos elementos químicos são metais e estão localizados ao lado esquerdo da tabela periódica. Uma das principais características dos metais é terem baixas energias de ionização e baixas afinidades eletrônicas. É por isso que os metais tendem a formar íons positivos (cátions):

M → M⁺ + e^-

Quando uma corrente elétrica atravessa uma solução que contém íons, os cátions se movem para o eletrodo negativo, denominado cátodo. A carga que o íon metálico apresentará dependerá da quantidade de elétrons perdida pelo átomo. Por exemplo:

• O átomo de potássio perde um elétron e forma o íon K⁺:

K → K⁺ + e^-

• O átomo de cálcio perde dois elétrons e forma o íon Ca²⁺:

Ca → Ca²⁺ + 2 e^-

• Já o átomo de alumínio perde três elétrons e forma o íon Al³⁺:

Al → Al³⁺ + 3 e^-

Com energia suficientemente alta, qualquer quantidade de elétrons de um átomo pode ser removida. Em reações químicas à temperatura ambiente, no entanto, os átomos de alguns metais tendem a perder sempre a mesma quantidade característica de elétrons. Outros, porém, podem perder vários números de elétrons, gerando íons com diferentes cargas. Por exemplo, o ferro pode perder dois ou três elétrons, formando, respectivamente, os íons ferroso (Fe²⁺) e férrico (Fe^-3).

O que torna um átomo capaz de perder diferentes números de elétrons e gerar íons com diferentes cargas é a presença de espaçamentos bem próximos nos níveis eletrônicos de energia. O ferro, por exemplo, possui a subcamada 3d ligeiramente menor em energia do que a 4s. Isso permite que, em algumas reações, a energia utilizada seja suficiente para remover os dois elétrons da subcamada 4s e também um elétron da 3d, formando o íon Fe⁺³.

A seguinte tabela apresenta os nomes dos íons formados por alguns átomos metálicos.

Os metais estão divididos em dois grupos principais: os metais alcalinos e os metais alcalinoterrosos. Todos os elementos de transição são metais, como vimos na tabela acima.

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Quais são os metais alcalinos?

Os metais alcalinos formam a família IA ou o grupo 1 da tabela periódica. Perdem um elétron da camada de valência e formam um cátion com valência +1. Uma das principais características deste grupo é sua alta reatividade química. Os metais alcalinos reagem vigorosamente com elementos não metálicos e muitos outros compostos. São facilmente oxidados e não são encontrados no estado livre na natureza. Além disso, não podem ser extraídos de seus compostos por meio da utilização de agentes redutores comuns. Os metais puros são obtidos por meio da hidrólise de sais fundidos ou, no caso do potássio, expondo o cloreto de potássio fundido ao vapor de sódio.

Os elementos do grupo 1 estão apresentados na tabela abaixo:

Todos os metais alcalinos são leves, de cor cinza prateada. Por apresentarem um só elétron na camada de valência, a ligação do metal puro é fraca, fazendo com que a densidade e os pontos de fusão e ebulição sejam baixos. Essas propriedades são diretamente proporcionais ao tamanho do átomo, ou seja, aumentam de cima para baixo no grupo.

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Quais são os metais alcalinoterrosos?

Os metais alcalinoterrosos formam a família IIA ou o grupo 2 da tabela periódica. Perdem dois elétrons da camada de valência e formam um cátion com valência +2. Comparando a reatividade dos metais alcalinoterrosos com a dos alcalinos, temos que cada metal da família IIA é um pouco menos reativo do que o metal precedente da família IA. Os elementos do grupo 2 estão apresentados na tabela abaixo:

Dentre os elementos deste grupo, destacam-se o magnésio, que está presente nas moléculas de clorofila, permitindo a realização da fotossíntese; e o cálcio, que é o cátion presente nos nossos ossos, nas conchas dos moluscos, no concreto, na argamassa e na pedra calcária das construções.

Os metais alcalinoterrosos também não são encontrados livres na natureza. Geralmente, são encontrados na forma de cátions de carga dupla em compostos.

O berílio é encontrado na forma de berilo (3BeO.Al₂O₃.6SiO₂) em cristais, como a esmeralda, que apresenta a cor verde característica dos íons Cr³⁺. O berílio é obtido por meio da redução eletrolítica do cloreto de berílio fundido.

O magnésio é encontrado na água do mar e na forma do mineral dolomita (CaCO₃.MgCO₃). O metal magnésio é obtido por meio da redução química ou eletrolítica de seus compostos. Na redução química, ocorre inicialmente a decomposição da dolomita, gerando o óxido de magnésio, que é, então, reduzido, a 1200 °C, usando uma liga de ferro e silício. Nessa temperatura de 1200 °C, o magnésio produzido é vaporizado e retirado. Já o método eletrolítico utiliza a água do mar como matéria-prima. A primeira etapa consiste na precipitação do hidróxido de magnésio com cal extinta (hidróxido de cálcio). Em seguida, o precipitado é filtrado e tratado com ácido clorídrico a fim de gerar o cloreto de magnésio. O sal seco é finalmente fundido e sofre eletrólise.

O cálcio, além de ser encontrado na dolomita, também ocorre como CaCO₃ em depósitos comprimidos das conchas de organismos marinhos antigos e no exoesqueleto de organismos unicelulares minúsculos.

Os metais do grupo 2 podem ainda ser identificados na chama de compostos, pelas cores que produzem. Por exemplo, o cálcio queima com cor laranja avermelhada, o bário, com cor verde amarelada, e o estrôncio, com cor carmim. Por isso, os sais desses metais são frequentemente usados na produção de fogos de artifício.

Quais são os metais de transição?

Os demais metais que não fazem parte das famílias IA e IIA da tabela periódica são os chamados metais de transição. São menos reativos do que os metais alcalinos e alcalinoterrosos. Isso porque a reatividade decresce da esquerda para a direita da tabela.

Um dos fatores que afetam a reatividade de um metal é a facilidade dos elementos metálicos em perder elétrons e formar cátions. Ou seja, quanto maior for a facilidade na remoção de elétrons, maior será a reatividade do metal.

Aplicações dos metais

Há cerca de 10 mil anos, os seres humanos viviam na Idade da Pedra, pois os objetos eram feitos de pedra, madeira e ossos. O ouro, a prata e o cobre foram os primeiros metais a serem descobertos, uma vez que existiam no seu estado nativo. Essa descoberta ocorreu há cerca de seis mil anos e, com isso, começaram a ser produzidos armamentos, joias e moedas de ouro. Com a descoberta do ferro, há quatro mil anos, tornou-se possível fabricar objetos ainda mais duros e resistentes do que o bronze.

Os metais puros, como o ferro, o cobre e o zinco, normalmente apresentam baixa resistência mecânica e uso limitado em aplicações de engenharia. Assim, têm sido produzidas, cada vez mais, ligas metálicas, que são materiais que possuem propriedades dos metais e são compostos por dois ou mais elementos. Pelo menos um dos elementos da liga é um metal. A grande maioria dos materiais metálicos utilizados são aplicados na área da engenharia.

Evolução do uso de materiais para fabricação de ferramentas e armas