Metais

O progresso tecnológico esteve sempre associado, desde as primeiras forjas da idade do bronze, ao conhecimento dos metais e a sua utilização em ferramentas, construções, veículos e outros artefatos.

Metal é, genericamente toda substância mineral que se apresenta em estado sólido à temperatura ambiente — com a única exceção do mercúrio — e que se caracteriza por brilho característico, opacidade, dureza, ductibilidade (que permite que o material seja esticado em arames finos) e maleabilidade (que possibilita sua redução a lâminas delgadas). Incluem-se nessa definição tanto os metais propriamente ditos (ouro, prata, ferro, etc.), como algumas ligas (bronze e latão por exemplo). Outras propriedades físicas que caracterizam o metal são sua elevada densidade, boa fusibilidade e, principalmente, os altos coeficientes de condutividade térmica e elétrica.

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.

A escolha do procedimento adequado baseia-se nas propriedades químicas e termodinâmicas dos sistemas. Os métodos mais comuns de redução são: (1) O pirometalúrgico, que se subdivide em: (a) aquecimento de sulfetos ao ar (ustulação), (b) aquecimento de misturas de óxidos e sulfetos, (c) redução com carbono e (d) redução com hidrogênio; (2) o eletrolítico; (3) o deslocamento metálico e (4) a decomposição dos haletos. Os metais mais abundantes na crosta terrestre, todos em combinação com outras substâncias, são o alumínio, o ferro, o cálcio, o sódio, o potássio e o magnésio.

Estrutura e ligações metálicas:

As propriedades físicas e químicas desse grupo de elementos devem-se à configuração eletrônica de seus átomos e ao tipo de ligação química que os une. O termo molécula não é adequado aos metais: é mais exato referir-se a redes cristalinas — disposição geométrica dos átomos que se repete regularmente no espaço e dá origem aos grãos que compõem a massa metálica.

Os átomos mantêm-se no interior da rede não só por implicações geométricas, mas também por apresentarem um tipo peculiar de ligação química, denominada ligação metálica. A união dos átomos que ocupam os “nós” de uma rede cristalina dá-se por meio dos elétrons de valência que compartilham (os situados em camadas eletrônicas não são completamente cheias). A disposição resultante é a de uma malha formada por íons positivos e uma nuvem eletrônica.

Cristalografia e granulometria:

Os metais apresentam grande diversidade de propriedades físicas e químicas, conforme a pressão, temperatura e outras variáveis. Além disso, um mesmo elemento pode apresentar 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 combinações, apresentam forte tendência a não formar compostos entre si, mas têm afinidade por elementos não metálicos como o oxigênio e o enxofre, com os quais formam respectivamente, óxidos e sulfetos.

O tamanho, forma e disposição das partículas metálicas, especificados pela granulometria, são fundamentais para o reconhecimento das propriedades físicas que determinam a plasticidade do material. Esses fatores podem ser alterados por tratamentos térmicos (aquecimento e resfriamento rápido) ou mecânicos, quando são estriados e forjados.

Oxidação:

A maioria dos metais tende a se oxidar quanto expostos ao ar, especialmente em ambientes úmidos. Entre os vários procedimentos empregados para evitar ou retardar a corrosão, os mais comuns são a aplicação de pinturas protetoras, a formação de ligas com outros elementos que reduzam ou eliminem tal propensão e a conexão a pólos elétricos que impeçam a ocorrência do fenômeno. É interessante o caso do alumínio, que, em presença do oxigênio, forma uma delgada película de óxido que detém a oxidação.

Aplicações:

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.