Nombre con el que se designa a ciertos elementos que presentan particulares características físicas y químicas.
METALES
Nombre con el que se designa a ciertos elementos que presentan particulares características físicas y químicas.
Propiedades físicas
Los metales se caracterizan físicamente por su elevada conductibilidad eléctrica y térmica; son sólidos a temperatura ordinaria, a excepción del mercurio que es líquido; en masa compacta presentan un color grisáceo, en una escala que va desde el azul grisáceo del plomo al blanco de la plata, aunque el oro es amarillo y el cobre rojo. Entre otras propiedades físicas de los metales se encuentra el brillo característico, llamado metálico que, no obstante, también poseen algunos metaloides; la densidad o peso específico y la fusibilidad.
En el sistema periódico de los elementos el cambio de las propiedades se produce de un modo gradual de un elemento a otro y, por lo tanto, es difícil establecer una neta distinción entre metal y no metal.
Los metales se pueden distinguir de otros elementos si se estudia su estructura interior, es decir, al observar cómo los átomos se unen entre sí para formar la masa metálica. El estudio del llamado enlace metálico tiene su origen en la observación microscópica de los metales, iniciada a finales del siglo XIX; con los primeros experimentos de Friedrich, Knipping y Von Laüe y con las sucesivas investigaciones realizadas por el físico inglés Bragg. Los rayos X, fundamental instrumento de investigación, permiten penetrar en la constitución interior de los cristales.
Los metales típicos presentan estructura cristalina, es decir, están formados por la yuxtaposición de cristales microscópicos pertenecientes en su mayor parte al sistema cúbico y hexagonal. Las posiciones características del retículo espacial están ocupadas por los iones metálicos, permaneciendo los electrones en el interior del cristal mezclados con los iones y reagrupados en bandas. La estabilidad del enlace metálico reside en la recíproca atracción electrostática entre los iones del metal, con carga positiva, y el conjunto de los electrones cargados negativamente.
La estructura cristalina y el enlace metálico confiere a los metales las características propiedades físicas citadas con anterioridad: la conductibilidad eléctrica se explica por la gran movilidad que presentan los electrones, responsables de la conducción de corrientes; la ductibilidad y la maleabilidad se deben a la estructura compacta y a la posibilidad que tienen los cristales de deslizarse en su interior según determinados planos.
Una de las propiedades más importantes de los metales es su facilidad de combinarse unos con otros y con otros elementos en forma de mezclas sólidas estables conocidas con el nombre de aleaciones.
Una mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como amalgamas.
El progreso de la humanidad ha estado siempre ligado al descubrimiento y empleo de los metales. Desde las más primitivas civilizaciones de la piedra y de la madera, se pasó sucesivamente a las culturas del cobre, del bronce y del hierro, alcanzando en la civilización actual una importancia fundamental la utilización del acero y de las aleaciones.
Metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal —boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, teluro, polonio y astato— tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc.
Punto de fusión
El punto de fusión de los metales varía entre los -39 °C del mercurio y los 3.410 °C del volframio. El iridio, con una densidad relativa de 22,4, es el más denso de los metales. Por el contrario, el litio es el menos denso, con una densidad relativa de 0,53. La mayoría de los metales cristalizan en el sistema cúbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonal y en el tetragonal. La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta a temperatura ordinaria la plata. La conductividad en los metales se puede reducir mediante aleaciones. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse. Los metales suelen ser duros y resistentes, pero presentan ciertas variaciones de uno a otro, en general los metales tienen las siguientes propiedades: dureza o resistencia a ser rayados; resistencia longitudinal o resistencia a la rotura; elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir deformación; son maleables y pueden cambiar de forma por la acción del martillo; son resistentes a la fatiga o capaces de soportar una fuerza o presión continuadas, y ductilidad o posibilidad de deformarse sin sufrir roturas.
Propiedades químicas
Las valencias positivas en la mayoría de sus compuestos son características en los metales, o sea que tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan. También tienden a formar óxidos básicos. Las valencias negativas en la mayoría de sus compuestos son características de los no metales, por ejemplo, el nitrógeno, el azufre y el cloro, tienden a adquirir electrones y a formar óxidos ácidos.
Los metales tienen energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones positivos o cationes. De este modo, los metales forman sales como cloruros, sulfuros y carbonatos, actuando como agentes reductores (donantes de electrones).
Estructura electrónica
Los científicos consideraron las propiedades de buena conductividad térmica y eléctrica de los metales para apoyar la teoría de que éstos se componen de átomos ionizados, cuyos electrones libres forman un “mar” homogéneo de carga negativa y así explicar la estructura electrónica de los metales.
La atracción electrostática, entre los iones positivos del metal y los electrones libres, se consideró la responsable del enlace entre los átomos del metal. Así, se pensaba que la causa de su alta conductividad eléctrica y térmica era el libre movimiento de los electrones. La principal objeción a esta teoría es que en tal caso los metales debían tener un calor específico superior al que realmente tienen. Según Sommerfeld los electrones en los metales se encuentran en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados. El físico estadounidense de origen suizo Felix Bloch, y más tarde el físico francés Louis Brillouin, aplicaron esta idea en la hoy aceptada “teoría de bandas” para los enlaces en los sólidos metálicos.
Según ésta, todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos. Por ello se requiere un amplio reparto de electrones entre los átomos individuales. El reparto de electrones se consigue por la superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes. Dicha superposición recorre todo el metal, formando amplios orbitales que se extienden por todo el sólido, en vez de pertenecer a átomos concretos. Cada uno de estos orbitales tiene un nivel de energía distinto debido a que los orbitales atómicos de los que proceden, tenían a su vez diferentes niveles de energía. Los orbitales, cuyo número es el mismo que el de los orbitales atómicos, tienen dos electrones cada uno y se van llenando, en orden de menor a mayor energía, hasta agotar el número de electrones disponibles. En esta teoría se dice que los grupos de electrones residen en bandas que constituyen conjuntos de orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de energía, valores que deberían poseer los electrones para poder ser parte de esa banda. En algunos metales se dan interrupciones de energía entre las bandas, pues los electrones no poseen ciertas energías. La banda con mayor energía en un metal no está llena de electrones, dado que una característica de los metales es que no poseen suficientes electrones para llenarla. La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica.
