• Author / Uploaded
• Braulio ala andia

Citation preview

INGENIERIA METALURGICA - 2020

Curso: Pirometalurgía

Ing. Henry Gustavo Polanco Cornejo

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Introducción • Existen 92 elementos químicos naturales, (Son 17 no metales y 8 metaloides, el resto metales • En la tabla periódica, metales y no metales se encuentran separados por los metaloides: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po y At, reúnen propiedades metálicas como no metálicas • Los metales son sólidos a temperatura ambiente a excepción del mercurio funde a 39oC. El cesio a 28.4oC y galio a 29.8oC. • Los metales se caracterizan por: • Estado sólido a temperatura normal (excepto el mercurio que es líquido)

– – – –

02/10/2020

Estructura cristalina en estado sólido Buenos conductores eléctricos y térmicos Maleables, Dúctiles, Resistentes debido a su alta densidad, “brillo metálico”. Tienen entre 1 y 3 electrones en el ultimo nivel

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

2

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Introducción • No metales: – Diferentes estados físicos a temperatura normal. – Baja conductividad eléctrica y térmica. – Diferentes estados físicos a temperatura normal. – Son frágiles, quebradizos, blandos o duros. – No son maleables. – Tienen entre 4 y 8 electrones en su capa externa. • Metaloides • Los metaloides abarca los siguientes elementos: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At • Muy variados en cuanto a su forma y su color. Pueden ser brillantes u opacos, • Son semiconductores (transmiten la electricidad en un solo sentido) • Es posible que representen un peligro para la salud. • Esta al estado sólido a temperatura ambiente, • Semiconductores, 02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

3

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades

02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

4

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Introducción:

• Sólidos cristalinos – Los átomos, se empaquetan en un arreglo ordenado • Sólidos covalentes ( diamante, cristales de cuarzo), sólidos metálicos, sólidos iónicos. • Empaquetamiento no compacto – Celda unitaria Celda cúbica simple – Celda unitaria Celda cúbica centrada en el cuerpo • Empaquetamiento compacto – Celda unitaria Celda cúbica centrada en las cara (ABC) – Celda unitaria Celda hexagonal compacta (ABA • Sólidos amorfos – No presentan estructuras ordenadas

02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

5

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Sólidos cristalinos: Tipos de celdas unitarias

Sistemas cúbico a=b=c tetragonal a = b  c ortorrómbicoa  b  c monoclínico a  b  c triclínico abc hexagonal a = b c romboédricoa = b = c 02/10/2020

a = b = g =90º a = b = g =90º a = b = g =90º a = g =90º b90º a  b  g 90º a = b =90º g =120º a=b= g 90º ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

6

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Metales al estado líquido: Estructura • La estructura se mantiene en todos sus estados. • Un metal pasa al estado líquido cuando su estructura cristalina modifica su ordenamiento. • La dispersión los átomos y su distribución determina que el número de átomos en un paquete sea menor al sistema en total. • El Nº de coordinación, es el número de átomos que se relacionan entre celda y celda cristalina. El N.C. difiere el estado sólido al estado líquido. • Se caracterizan en el estado líquido por que: • Los elementos metálicos de alto número de coordinación al fundir se expande en un 3 % • El proceso de fusión determina un incremento eutrópico ± 2 cal/°C at.gr., • Los coeficientes de expansión térmica se incrementa de 50 á 100 %. • Los semimetales, sufren contracción en su volumen y reducen sus resistividades, pierden su enlace covalente direccional • Los paquetes cristalinos se desordenan y adquieren una distribución al azar 02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

7

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades • Estructura de los metales líquidos, se mide la difracción de los neutrones y electrones, por medio de rayos X. • Sé plotea la intensidad de la radiación difractada (J) versus: sen /, donde  es ángulo de dispersión y  es la longitud de onda (µ) del elemento (sen /µ) • Modelo de Difracción de rayos X para el oro líquido a 1100°C, las líneas verticales representan el patrón para el oro cristalino

02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

8

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Distancias interatómicas y N° de C. de los metales estado líquido Metal Sólido

02/10/2020

Grupo

Elemento

1a 1a 2a 3a 4a 4a 4a 5a 5a 1b 1b 1b

Na K Mg Al Ge Sn Pb Sb Bi Cu Ag Au

Metal Líquido

N° C.

Distancia A°

N° C.

Distancia A°

8 8 12 12 4 4–2 12 3 3 12 12 12

3.72 4.52 3.20 2.86 2.45 3.02 - 3.18 3.50 2.91 3.09 2.56 2.89 2.88

9.5 9.5 10.0 10.6 8.0 8.5 8.0 6.1 7.8 11.5 10.0 8.5

3.70 4.70 3.35 2.96 2.77 3.27 3.40 3.12 3.32 2.57 2.86 2.85

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

9

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Variación de volumen y cambio de entropía

02/10/2020

Grupo 1a 1a 2a 3a 3a 4a 4a 4a 5a 5a 1b 1b 1b 2b 8b 8b

Metal Na K Mg Al Ga Si Sn Pb Sb Bi Cu Ag Au Hg Fe Ni

Estructura CC CC Hexagonal CCC Ortorrómbico Diamante Tetraédrico CCC Romboédrico Romboédrico CCC CCC CCC Romboédrico CCC ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO CCC

DV 2.5 2.5 3.1 6.0 -3.2 -9.6 2.6 3.5 -0.9 -3.4 4.5 3.3 5.1 3.7 3.6 5.4

S 1.70 1.70 2.25 2.70 4.42 6.50 3.35 1.98 5.25 4.78 2.29 2.12 2.29 2.37 1.80 2.40

10

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Propiedades de los Metales al Estado Liquido • Los metales, aleaciones y sales, cuando se encuentran al estado sólido presentan propiedades físicas y mecánicas específicas • Al estado líquido, sus propiedades cambian radicalmente y se comportan como cualquier líquido, cumpliendo con las leyes de la hidráulica y de los fluidos. • Las propiedades de los metales en el estado líquido, son: • Difusividad • Viscosidad • Tensión superficial, • Conductividad

02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

11

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Difusión • Uno de los fenómenos comunes en la naturaleza que se explica, por el movimiento caótico de las moléculas es la difusión • Son los fenómenos de transporte de masa asociados a un gradiente de concentración.

• La difusión y transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. • Es el proceso de transferencia de masa a escala atómica o molecular, en el estado gaseoso y líquido, en la cual las moléculas o átomos se encuentran en constante movimiento. • Molecular: La masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidos (movimiento individual de las moléculas), debido a una diferencia de concentraciones. • Convectiva: La masa puede transferirse debido al movimiento global del fluido. Puede ocurrir que el movimiento se efectúe en régimen laminar o turbulento Los coeficientes de autodifusión en toda clase de líquidos son del orden de 10-5 cm2/seg, cerca a su punto de fusión. Existe esta similitud a pesar de que las fuerzas de cohesión varían ampliamente en intensidad y tipo de un líquido a otro 02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

12

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Difusión y temperatura • Por lo general, la variación del coeficiente de difusión con la temperatura, a presión constante, se representa por la siguiente relación matemática:

D  DO e ED / RT  • La energía de activación se considera como la energía requerida por un átomo para "saltar" hacia un orificio vecino substancial. • El valor de energía de activación de los metales al estado puro, esta ecuación no es válida para aleaciones o sales:

ED = 3,74 Tm 02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

13

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Coeficientes de autodifusión para los metales líquidos puros

02/10/2020

Metal

P.F ºC

Rango ºC

Hg Ga Na K In Sn Pb Zn Ag Cu Fe+4%C Fe+2%C

-38.9 29.6 97.5 62.3 156.4 231.9 327.3 419.5 960.5 1083.0 1535.0 1535.0

0 - 100 30 - 99 99 - 227 67 - 217 175 - 628 267 - 683 333 - 657 720 - 600 975 - 1350 1140-1260 1240-1360 1340-1499

Do cm2/seg 1.0*10-4 1.1*10-4 1.1*10-3 1.7*10-3 3.1*10-4 3.0*10-4 9.0*10-4 1.2*10-3 5.8*10-4 1.5*10-3 4.3*10-3 1.0*10-2

Ed D*10-4 kcal cm2/seg 1.00 0.92 1.12 1.97 2.43 4.19 2.55 5.44 2.50 1.91 2.58 3.74 4.45 2.50 5.60 3.16 7.66 3.22 9.71 4.16 12.2 10.00 15.7 9.00

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

T ºC 30 60 98 100 175 299 343 500 1060 1100 1360 1400

Lv kcal/m 14.6 61.4 23.4 19.0 55.5 70.0 42.7 57.5 60.0 72.8 81.3 ---14

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Viscosidad • Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo en una dirección, cuando se le aplica una fuerza • Los líquidos no son perfectamente fluidos, para separar dos porciones juntas de un líquido, hay que vencer el esfuerzo que opone la cohesión, cuya magnitud determina el grado de viscosidad. • Se entiende por viscosidad dinámica al rozamiento interno desarrollado, cuando una parte del fluido se mueve relativamente a una parte adyacente. • El coeficiente de fricción interna del fluido se llama viscosidad (.). • Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. • La viscosidad dinámica de los metales al estado líquido, esta en un rango de 1 á 4 cP, a temperaturas cercanas al punto de fusión. • Andrade, formuló la siguiente ecuación:

  C Tm M  V 12

2 3

- C, es una constante es igual a 6,12 x 10-4 - Tm, temperatura absoluta en el punto de fusión - M, peso atómico - V, Volumen atómico

02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

15

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Valores de viscosidad calculado y experimental Metal Li Na Cs Cu Ag In Fe Ni Sn Ne Kr

02/10/2020

Viscosidad Cp Experimental Calculada 0.60 0.56 0.69 0.62 0.69 0.66 4.10 4.20 3.90 4.10 1.90 2.00 5.00 4.90 4.60 5.00 2.10 2.10 0.16 0.198 0.39 0.55

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

16

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Viscosidad y temperatura • La variación de la viscosidad con la temperatura a presión constante, generalmente se expresa en términos de energía de activación

  o e

E / RT

• La similitud de valores de energía de activación para difusividad y viscosidad • Sugiere que los efectos de difusión y viscosidad dependen de movimientos similares, en este caso, el movimiento de los átomos con respecto de uno con el otro

02/10/2020

Metal

P.F. ºC

Rango ºC

E kcal/mol

Hg

- 38.9

0 - 100

1.25

Ga

29.8

30 - 99

1.36

Na

97.5

99 - 227

2.4

Sn

231.9

267 - 683

2.91

Pb

327.3

333 - 657

3.92

Ag

960.5

975 - 1350

7.50

Fe+2%C

1535.5

1340 - 1499

17.0

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

17

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades La ley Stokes - Einstein (viscosidad y difusividad) • En los procesos de fusión, se tiene una estrecha relación entre la difusividad y la viscosidad, para partículas suficientemente grandes y que se presentan en un medio continuo de movimiento

KT D 6R • Esta ecuación matemática se cumple para difusividad y viscosidad cuando se considera que el radio atómico es igual al radio cristalográfico al estado sólido.

02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

18

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Tensión Superficial • Las moléculas de los líquidos, tienen fuerzas de atracción mutua cuando están muy próximas unas de otras, cuando se encuentran en el campo de atracción molecular o atómico.

• Cuando esta atracción es en una molécula de la superficie, y no hay una fuerza que la atraiga hacia afuera, la fuerza se ejerce hacia el interior del líquido y tiende a reducir su superficie. Fenómeno de la capilaridad • La tensión superficial y por el valor de la relación entre el módulo de la fuerza de adhesión entre líquido y sólido con el módulo de la fuerza de cohesión del líquido. • Los metales líquidos son notables por su alta tensión superficial. • Estos pueden compararse con 72 dinas/cm. para el agua • Con tensiones superficiales elevadas, los metales líquidos no mojan la superficie con las que están en contacto • De igual forma se comportan los metales con los refractarios de las paredes de los hornos. • En casos que exista una presión que sea mayor al valor de la tensión superficial, puede producirse la penetración del metal y con una velocidad bastante alta por tener una baja viscosidad 02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

19

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Tensión Superficial • Etvos, relacionó el valor de tensión superficial con el peso atómico y la temperatura de fusión, la cual se representa mediante la siguiente ecuación   

 

 M  

23

B  KeTm 

• B, constante y es igual a: B = KE (Tm - 6) • KE, es una constante y es igual a 2,1 • A medida que se incrementa la temperatura la tensión superficial disminuye en los metales líquidos puros, hasta hacerse igual a cero en la temperatura crítica 02/10/2020

Grupo 1b 1b 1b 2b 2b 2b 3a 3a 6a 4a 4b 4a 4a 5a 5a 6b 6b 7b 8b 8b 8b 8b

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

Metal Cu Ag Au Zn Cd Hg Ga In Te Si Ti Sn Pb Sb Bi Cr W Mn Fe Co Ni Pt

T ºC 1120 970 1070 420 330 20 60 160 450 1420 1670 240 400 640 400 1950 3380 1250 1550 1550 1550 1800

 dinas 1280 920 1127 750 550 465 725 340 460 725 1510 550 445 695 675 1590 2310 1300 1788 1886 1934 1699 20

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Tensión Superficial y temperatura • Temperatura crítica se considera a la temperatura a la cual licua un gas. Ramsay - Shields, relaciono la dependencia anterior mediante la siguiente ecuación:

M     • • • • •

  

23

 K E Tc  T  6 

- , densidad del líquido - M, peso atómico - KE, es una constante y es igual a 2,1 T: es la temperatura de trabajo Tc: es la temperatura crítica

02/10/2020

Tensión superficial de los metales líquidos en el punto de fusión

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

21

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades Conductividad eléctrica • Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí, facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. • Los metales conducen fácilmente la corriente eléctrica, en estado sólido y fundidos, ya que los electrones se desplazan con facilidad • La conductividad eléctrica se debe a la presencia de una banda de valencia no saturada de electrones en la estructura atómica o traslapada con bandas superiores vacías • Los electrones de esta banda pasen fácilmente de un átomo a otro por efecto de un campo eléctrico. • La conductancia a presión constante aumenta con el incremento de la temperatura. A = Ao e - EA/RT • La conducción eléctrica en los metales fundidos, se da por migración directa de átomos y/o electrones a través del seno del líquido, bajo la influencia de una gradiente de potencial; esta conducción se debe más que nada a la vibración

02/10/2020

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

22

Metales : Estado líquido, estructura y propiedades

Plata

Conductividad S/m a temperatura ambiente 6,8 x 107

Cobre

6,0 x 107

Oro

4,3 x 107

Aluminio

3,8 x 107

Acero simple

0,6 x 107

Acero inoxidable

0,2 x 107

Metal

Conductividad eléctrica

02/10/2020

Metal Na Ag Cu In Cd Sn Hg Pb Sb Bi

R (ohm.cm*10-6) 9.6 17.6 21.0 33.1 33.7 48.0 91.0 95.0 114.0 128.0

Resistividad eléctrica

ING. HENRY GUSTAVO POLANCO CORNEJO

23