Los metales, que constituyen la mayor parte de los elementos químicos de la tabla periódica, se encuentran entre las sustancias más versátiles y útiles que se conocen. El desarrollo de las tecnologías de trabajo de los metales para crear materiales fue probablemente uno de los avances más importantes de la historia de la humanidad. Los metales son omnipresentes en el mundo moderno. Puentes, rascacielos, presas y coches: la mayoría de las construcciones industriales y a gran escala están compuestas total o parcialmente por metales, y éstos son un componente esencial en la mayoría de los aparatos electrónicos modernos.
Dicho esto, el término «metal» es muy amplio y abarca una serie de sustancias con diferentes propiedades, como el plomo (un metal pesado y denso), el mercurio (un metal que es un líquido) y el sodio (un metal blando que se puede cortar con un cuchillo). Entonces, ¿qué es lo que hace que un metal sea un metal, y cuáles son algunas de las propiedades de los metales que los hacen tan útiles?
¿Qué son los metales?
En química, el término «metal» se utiliza normalmente para referirse a los elementos que ocupan los grupos 3-12 del bloque d de la tabla periódica. Estos elementos se denominan a veces «metales de transición». Los metales se distinguen de los no metales en virtud de sus propiedades. Algunas propiedades comunes de los metales son:
- Dureza – los metales tienden a ser duros y resistentes a la deformación
- Maleabilidad & Ductilidad – los metales pueden doblarse y cambiar de forma sin romperse
- Conductividad – los metales tienden a ser buenos conductores del calor y la electricidad
- Lustre – los metales tienen una única, brillante
- Magnetismo – Muchos metales son ferromagnéticos o paramagnéticos
Además de estas propiedades físicas, los metales también tienen propiedades químicas específicas. Los metales tienden a tener bajas energías de ionización y forman fácilmente iones positivos. La mayoría de los metales tienen un carácter básico y reaccionan con los ácidos para formar sales y agua.
Los metales constituyen la gran mayoría de los elementos de la tabla periódica. Unos 91 de los 118 elementos conocidos se clasifican como metales. 6 elementos (boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio y telurio) se clasifican comúnmente como metaloides y tienen una mezcla de propiedades metálicas y no metálicas.
¿Qué hace que un metal sea un metal?
Hasta ahora sólo hemos enumerado algunas propiedades comunes que comparten los metales. Otra pregunta es: ¿Por qué los metales tienen las propiedades que tienen? Es decir, ¿qué hay en la estructura de los elementos metálicos que explica sus propiedades comúnmente observadas?
Las propiedades únicas de los metales pueden ser explicadas por sus estructuras atómicas y electrónicas. Los elementos del bloque d de la tabla periódica tienden a tener múltiples orbitales vacíos en la capa de electrones. Cuando los átomos metálicos se conglomeran, sus electrones se deslocalizan y se reparten uniformemente entre los átomos. Se puede pensar en un metal como un entramado de cationes con carga positiva rodeados de un «mar» de electrones. El gran número de orbitales electrónicos vacíos significa que los electrones pueden moverse fácilmente de un átomo a otro. La naturaleza deslocalizada de los enlaces metálicos es lo que explica las propiedades únicas de los metales.
En la siguiente sección, analizaremos en profundidad algunas propiedades clave de los metales y explicaremos cómo surgen de sus estructuras atómicas y electrónicas
5 Propiedades asombrosas de los metales
Dureza
En sentido estricto, no todos los metales son duros a temperaturas y presiones estándar. El mercurio es un líquido a temperatura ambiente y el galio se derrite en la palma de la mano en un día caluroso. Algunos metales, como el sodio y el potasio, son muy blandos y se pueden cortar con un cuchillo, como un pastel.
Sin embargo, muchos metales son conocidos por ser duros y resistentes a la deformación mecánica. Esta dureza es una de las razones por las que los metales son tan útiles para aplicaciones industriales y a gran escala. La dureza de los metales puede explicarse por la forma en que sus átomos están dispuestos unos con respecto a otros. La mayoría de los metales tienen atracciones intermoleculares muy fuertes, que hacen que sus átomos se agrupen muy estrechamente. Como los átomos están tan juntos, hay muy poco espacio entre ellos y no pueden moverse mucho cuando se aplica una fuerza externa. El mismo principio explica la alta resistencia a la tracción de los metales.
La disposición física de los átomos, muy juntos, también explica por qué los metales tienden a ser densos y pesados. La densidad es una medida de la cantidad de masa por unidad de volumen. Cuando los átomos están muy juntos, hay una gran cantidad de masa por unidad de volumen, por lo que los metales son densos
Maleabilidad &Ductilidad
Una propiedad clave de los metales que los hace tan útiles es que se les puede dar forma y moldear sin que se rompan o pierdan dureza. Los metales son muy maleables, lo que significa que pueden comprimirse o aplanarse sin agrietarse o romperse. Por ejemplo, el oro es un metal muy maleable. Un trozo de oro del tamaño de una caja de cerillas puede aplanarse hasta convertirse en una lámina del tamaño de una pista de tenis. La ductilidad se refiere a la capacidad de una sustancia para ser moldeada sin perder su dureza. Los metales son dúctiles porque pueden moldearse en nuevas estructuras sin perder resistencia.
La maleabilidad y ductilidad de los metales se explican por la naturaleza deslocalizada de los enlaces metálicos. Como los electrones están deslocalizados, las láminas de átomos metálicos pueden deslizarse unas contra otras sin romper ningún enlace químico. Esto es exactamente lo contrario de lo que podría ocurrir en un compuesto iónico frágil, por ejemplo. En un compuesto iónico, los átomos están encerrados en una estructura rígida en la que los iones positivos y negativos están alineados entre sí. Cuando una capa se desplaza por una fuerza, los iones positivos y negativos se desalinean y se repelen. La repulsión hace que la sustancia se fracture.
Conductividad térmica &Conductividad eléctrica
También se sabe que los metales son conductores, lo que significa que pueden almacenar y transmitir bien el calor y la electricidad. Las capacidades de los metales para almacenar y transmitir calor y electricidad se denominan conductividad térmica y eléctrica, respectivamente.
Conductividad térmica
Se sabe que los metales son buenos conductores térmicos. La conductividad térmica explica por qué se puede calentar una sartén de metal en la estufa y usarla para cocinar. El calor de la estufa se transfiere a la sartén de metal. Ese calor se transfiere a los alimentos cuando se cocinan. Los metales son buenos conductores térmicos porque su estructura atómica, muy compacta, absorbe la energía cinética de forma muy eficaz. Fundamentalmente, el calor es sólo el movimiento de las moléculas. Calentar algo es lo mismo que hacer que las moléculas que lo componen se muevan más rápido. Como los átomos de los metales están muy juntos, el movimiento (calor) de cualquier átomo se transfiere fácilmente a sus vecinos.
Conductividad eléctrica
Los metales son buenos conductores de la electricidad debido a sus electrones deslocalizados que se mueven libremente. Cuando se aplica una tensión eléctrica a un metal, un campo eléctrico desencadena el movimiento de las cargas electrónicas. Como los electrones están deslocalizados, se mueven muy fácilmente bajo la influencia de un campo electrónico. En los metales conductores, los electrones siempre fluyen del terminal negativo al positivo.
Lustre
Los metales también son conocidos por su aspecto visual único. Bajo la luz, los metales tienen un aspecto brillante característico. Este brillo estético de metales como el oro, la plata y el platino explica su valor y su uso en joyería y ornamentación.
El brillo de los metales puede explicarse por la interacción de la luz y los electrones. En los metales, los electrones están deslocalizados y se mueven libremente. Cuando la luz (cualquier radiación EM) incide en la superficie, los electrones absorben fotones y entran en un estado de energía excitado. Cuando el electrón vuelve a su estado básico, libera algo de energía en forma de fotón. Como la cantidad de energía en el sistema debe permanecer constante, el fotón emitido por el electrón tiene la misma frecuencia que el fotón que fue inicialmente absorbido por el electrón. El ojo humano percibe este proceso como el brillo reflectante asociado a los metales.
Magnetismo
Otra propiedad característica de los metales es su capacidad para producir y ser afectados por campos magnéticos. Un aspecto fundamental de los electrones es que producen un dipolo magnético; es decir, una región de influencia magnética con un polo positivo y otro negativo. En condiciones normales, los electrones de los metales están revueltos de modo que sus dipolos no se alinean entre sí.
Sin embargo, bajo la influencia de un campo magnético externo, los electrones se orientarán de modo que todos sus dipolos apunten en la misma dirección. La acción acumulativa de los dipolos da lugar a un campo magnético macroscópico que puede empujar y tirar de los objetos. Los metales son propensos a ser magnetizados porque tienen numerosos orbitales electrónicos abiertos. Como hay muchos orbitales abiertos en los metales, los electrones pueden moverse y cambiar mucho de orientación, por lo que es más fácil que sus campos magnéticos se alineen.
Los materiales que se vuelven magnéticos bajo la influencia de un campo magnético externo se llaman paramagnéticos. Prueba este experimento en casa: Tome un destornillador, unas agujas y un imán de cocina. Tocar las agujas con la punta del destornillador no hace nada, ya que no hay atracción. A continuación, mantén las agujas contra el imán de cocina durante uno o dos minutos. Cuando retires las agujas, verás que ahora son atraídas por la punta del destornillador. Esto se debe a que el campo magnético del imán de cocina realinea los electrones de la aguja para que sus polos magnéticos estén todos alineados.
La mayoría de los materiales paramagnéticos no permanecerán magnetizados indefinidamente. Las fluctuaciones térmicas aleatorias del material acabarán provocando que los dipolos vuelvan a desalinearse. Algunos materiales son capaces de retener sus propiedades magnéticas después de la eliminación del campo magnético. Este tipo de materiales se denominan ferromagnéticos. El níquel y el hierro son dos tipos de metales ferromagnéticos.