Metal

Ídolo deoro,espadas debronce,arado y máquina de vapor dehierro,puente deaceroy batería delitio

Se denominanmetalesa loselementos químicoscaracterizados porser buenos conductores del calory la electricidad.Poseen alta densidad y son sólidos atemperatura ambiente(excepto elmercurio,elgalio,elcesioy elfrancioya que son metales líquidos atemperatura ambiente);​ sus sales formanioneselectropositivos (cationes) en disolución.​

Laciencia de materialesdefine un metal como un material en el que existe un solapamiento entre labanda de valenciay labanda de conducciónen su estructura electrónica (enlace metálico).​ Esto le da la capacidad de conducir fácilmentecaloryelectricidad(tal como elcobre) y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo. En ausencia de una estructuraelectrónicaconocida, se usa el término para describir el comportamiento de aquellos materiales en los que, en ciertos rangos depresiónytemperatura,laconductividad eléctricadisminuye al elevar la temperatura, en contraste con lossemiconductores.Reaccionan químicamente con no metales, no son reactivos entre sí la gran mayoría de las veces, aunque algunos formenaleacionesentre sí.

Dentro de los metales se encuentran losalcalinos(como el sodio) y losalcalinotérreos(como el magnesio) los cuales presentan baja densidad, son buenos conductores del calor y la electricidad, además de ser muy reactivos.​ También se incluyen los metales de transición (los cuales conforman la mayoría de los metales), los que se encuentran en diversos grupos y loslantánidos,actínidosytransactínidos.​ Teóricamente, el resto de elementos que queda por descubrir y sintetizar serían metales.

El concepto de metal se refiere tanto a elementos puros, así comoaleacionescon características metálicas, como elacero,laamalgama,elbronce,elcuproníquel,elduraluminio,ellatón,elmagnalio,eloro blanco,laplata esterlina,elpeltre,y elvellón.Los metales comprenden la mayor parte de latabla periódica de los elementosy se separan de losno metalespor una línea diagonal entre elboroy elpolonio.​ En comparación con los no metales tienen bajaelectronegatividady baja energía deionización,por lo que es más fácil que los metales cedan electrones y más difícil que los ganen.

Enastrofísica,el término "metal" se utiliza de forma más amplia para referirse a todos los elementos químicos de una estrella que son más pesados que elhelio,y no solo a los metales tradicionales. En este sentido, los primeros cuatro "metales" que se acumulan en los núcleos estelares a través de la nucleosíntesis son elcarbono,elnitrógeno,eloxígenoy elneón,todos los cuales son estrictamente no metales en química. Una estrella fusiona átomos más ligeros, principalmente hidrógeno y helio, en átomos más pesados durante su vida. Usado en ese sentido, la metalicidad de un objeto astronómico es la proporción de su materia compuesta por los elementos químicos más pesados.​​​

Se obtienen a partir de los minerales que los contienen, llamados menas metálicas.

Historia

Herramientas de cobre datadas hacia 3000 a. C. en elAntiguo Egipto.

Prehistoria

El cobre, que se presenta en forma nativa, puede haber sido el primer metal descubierto, dado su aspecto distintivo, su pesadez y su maleabilidad en comparación con otras piedras o guijarros. El oro, la plata, el hierro (en forma dehierro meteórico) y el plomo también se descubrieron en la prehistoria. De esta época proceden las formas delatón,una aleación de cobre y zinc fabricada mediante la fundición simultánea de los minerales de estos metales (aunque el zinc puro no se aisló hasta el sigloXIII). La maleabilidad de los metales sólidos dio lugar a los primeros intentos de fabricar adornos, herramientas y armas de metal. De vez en cuando se descubría hierro meteórico que contenía níquel y que, en algunos aspectos, era superior a cualquier acero industrial fabricado hasta la década de 1880, cuando los aceros aleados cobraron protagonismo.

Metales como eloro,laplata,elhierroy elcobre,fueron utilizados desde laprehistoria.Al principio, solo se usaron los que se encontraban fácilmente en estadopuro(en forma de elementos nativos), pero paulatinamente se fue desarrollando la tecnología necesaria para obtener nuevos metales a partir de susmenas,calentándolos en unhornomediantecarbón de madera.

Edad Antigua

El Bronce de Artemision que muestra a Poseidón o Zeus, c. 460 a. C., Museo Arqueológico Nacional, Atenas. La figura tiene más de 2 m de altura.

El primer gran avance se produjo con el descubrimiento delbronce,fruto de la utilización de mineral de cobre con incursiones deestaño,entre 3500 a. C. y 2000 a. C., en diferentes regiones del planeta, surgiendo la denominadaEdad del Bronce,que sucede a laEdad de Piedra.El descubrimiento delbronce(una aleación de cobre con arsénico o estaño) permitió al hombre crear objetos metálicos más duros y duraderos que los anteriores. Las herramientas de bronce, las armas, las armaduras y los materiales de construcción, como las baldosas decorativas, eran más duros y duraderos que sus predecesores de piedra y cobre ( "Calcolítico"). Inicialmente, el bronce se fabricaba con cobre yarsénico(formando elbronce arsenical) mediante la fundición de minerales de cobre y arsénico mezclados natural o artificialmente.​

Otro hecho importante en la historia fue la utilización delhierro,hacia 1400 a. C. Loshititasfueron uno de los primeros pueblos en utilizarlo para elaborararmas,tales comoespadas,y las civilizaciones que todavía estaban en la Edad del Bronce, como losegipcios.

No obstante, en la Antigüedad no se sabía alcanzar la temperatura necesaria para fundir el hierro, por lo que se obtenía un metal impuro que había de ser moldeado a martillazos. Hacia el año 1400 se empezaron a utilizar los hornos provistos defuelle,​ que permiten alcanzar latemperatura de fusióndel hierro, unos 1535°C.

Edad Media

Los alquimistas árabes y medievales creían que todos los metales y la materia estaban compuestos por el principio del azufre, el padre de todos los metales y portador de la propiedad de combustible, y el principio del mercurio, la madre de todos los metales —en la Antigüedad, el plomo se consideraba el padre de todos los metales— y portador de las propiedades de liquidez, fusibilidad y volatilidad. Estos principios no eran necesariamente las sustancias comunesazufreymercurioque se encuentran en la mayoría de los laboratorios. Esta teoría reforzaba la creencia de que todos los metales estaban destinados a convertirse en oro en las entrañas de la tierra mediante las combinaciones adecuadas de calor, digestión, tiempo y eliminación de contaminantes, todo lo cual podía desarrollarse y acelerarse mediante los conocimientos y métodos de la alquimia.Paracelso,un escritor posterior delRenacimiento alemán,añadió el tercer principio de la sal, que conlleva las propiedades no volátiles e incombustibles, en su doctrinatria prima.Estas teorías mantuvieron los cuatro elementos clásicos como base de la composición delazufre,elmercurioy lasal.

Se conocieron el arsénico, el zinc, el antimonio y el bismuto, aunque al principio se les llamó semimetales o metales bastardos por su carácter inmóvil. Es posible que los cuatro se utilizaran incidentalmente en épocas anteriores sin reconocer su naturaleza. Se cree queAlbertus Magnusfue el primero en aislar el arsénico de un compuesto en 1250, calentando jabón junto con trisulfuro de arsénico. El zinc metálico, que es frágil si es impuro, se aisló en la India hacia el año 1300. La primera descripción de un procedimiento para aislar el antimonio se encuentra en el libro de 1540De la pirotecniadeVannoccio Biringuccio.El bismuto fue descrito por Agricola enDe natura fossilium(c. 1546); se había confundido en los primeros tiempos con el estaño y el plomo por su parecido con estos elementos.

• 
  Arsénico, sellado en un recipiente para evitar que se empañe
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  Fragmentos de zinc y un cubo de 1 cm³
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  Antimonio, mostrando su brillo brillante
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  Bismuto en forma cristalina, con una capa de oxidación muy fina, y un cubo de bismuto de 1 cm³

Edad Moderna

De re metallica,1555

Cristales de platino

Un disco de uranio altamente enriquecido que se recuperó de la chatarra procesada en el Complejo de Seguridad Nacional Y-12, en Oak Ridge, Tennessee., enOak Ridge, Tennessee

Cerio ultrapuro bajo argón, 1.5 gm

El primer texto sistemático sobre las artes de la minería y la metalurgia fueDe la pirotechnia(1540) (1540) deVannoccio Biringuccio,que trata del examen, la fusión y el trabajo de los metales.

Dieciséis años más tarde,Georgius Agricolapublicó en 1556De re metallica,un relato claro y completo de la profesión de la minería, la metalurgia y las artes y ciencias accesorias, además de calificarse como el mayor tratado sobre la industria química a lo largo del sigloXVI.

En suDe natura fossiliumdio la siguiente descripción de un metal (1546):

El metal es un cuerpo mineral, por naturaleza líquido o algo duro. Este último puede ser fundido por el calor del fuego, pero cuando se ha enfriado de nuevo y ha perdido todo el calor, vuelve a ser duro y retoma su forma propia. En este aspecto se diferencia de la piedra que se funde en el fuego, pues aunque ésta recupere su dureza, pierde su forma y propiedades prístinas.

Tradicionalmente existen seis tipos de metales diferentes, a saber, el oro, la plata, el cobre, el hierro, el estaño y el plomo. En realidad hay otros, pues el azogue es un metal, aunque los alquimistas no están de acuerdo con nosotros en este tema, y el bismuto también lo es. Los antiguos escritores griegos parecen haber ignorado el bismuto, por lo que Amonio afirma con razón que hay muchas especies de metales, animales y plantas que nos son desconocidas. El estibio, cuando se funde en el crisol y se refina, tiene tanto derecho a ser considerado como un metal propio como el que los escritores conceden al plomo. Si cuando se funde, se añade una cierta porción al estaño, se produce una aleación para libreros con la que se hace el tipo que utilizan los que imprimen libros en papel.

Cada metal tiene su propia forma que conserva cuando se separa de los metales que se mezclaron con él. Por lo tanto, ni el electrum ni el stannum [no se refiere a nuestro estaño] son en sí mismos un verdadero metal, sino una aleación de dos metales. El electrum es una aleación de oro y plata, el Stannum de plomo y plata. Sin embargo, si se separa la plata del electrum, queda el oro y no el electrum; si se quita la plata del Stannum, queda el plomo y no el Stannum.

Sin embargo, no se puede determinar con certeza si el latón es un metal nativo o no. Sólo conocemos el latón artificial, que consiste en cobre teñido con el color del mineral calamina. Y sin embargo, si se desenterrara alguno, sería un metal propiamente dicho. El cobre blanco y el negro parecen ser diferentes del rojo.

El metal, por tanto, es por naturaleza o bien sólido, como he dicho, o bien fluido, como en el caso único del azogue.

Pero basta ya de hablar de los tipos simples.​

Elplatino,tercer metal precioso después del oro y la plata, fue descubierto enEcuadorentre 1736 y 1744 por el astrónomo españolAntonio de Ulloay su colega el matemáticoJorge Juan y Santacilia.Ulloa fue el primero en escribir una descripción científica del metal, en 1748.

En 1789, el químico alemánMartin Heinrich Klaprothconsiguió aislar unóxido de uranio,que pensó que era el propio metal. Posteriormente, Klaproth fue reconocido como el descubridor del uranio. No fue hasta 1841 cuando el químico francés Eugène-Melchior Péligot pudo preparar la primera muestra de uranio metálico. Posteriormente,Henri Becquereldescubrió la radiactividad en 1896 utilizando el uranio.

En la década de 1790,Joseph Priestleyy el químico holandésMartinus van Marumobservaron la acción transformadora de las superficies metálicas en la deshidrogenación del alcohol, un desarrollo que posteriormente condujo, en 1831, a la síntesis a escala industrial delácido sulfúricoutilizando un catalizador de platino.

En 1803, elceriofue el primero de losmetales lantánidosen ser descubierto, en Bastnäs (Suecia) por Jöns Jakob Berzelius y Wilhelm Hisinger, e independientemente por Martin Heinrich Klaproth en Alemania. Los metales lantánidos se consideraron en gran medida como rarezas hasta la década de 1960, cuando se desarrollaron métodos para separarlos de forma más eficaz. Posteriormente se han utilizado en teléfonos móviles, imanes, láseres, iluminación, baterías, convertidores catalíticos y otras aplicaciones que permiten las tecnologías modernas.

Otros metales descubiertos y preparados durante esta época fueron elcobalto,elníquel,elmanganeso,elmolibdeno,eltungstenoy elcromo;y algunos de los metales delgrupo del platino,elpaladio,elosmio,eliridioy elrodio.

Edad Contemporánea

Henry Bessemerdescubrió un modo de produciraceroen grandes cantidades con un coste razonable. Tras numerosos intentos fallidos, dio con un nuevo diseño de horno (elconvertidor Thomas-Bessemer) y, a partir de entonces, mejoró la construcción de estructuras en edificios y puentes, pasando el hierro a un segundo plano.

Poco después se utilizó elaluminioy elmagnesio,que permitieron desarrollar aleaciones mucho más ligeras y resistentes, muy utilizadas enaviación,transporte terrestre y herramientas portátiles.

Eltitanio,es el último de los metales abundantes yestablescon los que se está trabajando y se espera que, en poco tiempo, el uso de la tecnología del titanio se generalice.

Los elementos metálicos, así como el resto de elementos, se encuentran ordenados en un sistema denominadotabla periódica.La mayoría de los elementos de esta tabla son metales.

Los metales se diferencian del resto deelementos,fundamentalmente en el tipo deenlaceque constituyen susátomos.Se trata de unenlace metálicoy en él los electrones forman una «nube» que se mueve, rodeando todos losnúcleos.Este tipo de enlace es el que les confiere las propiedades deconducción eléctrica,brillo,etc.

Hay todo tipo de metales:metales pesados,metales preciosos,metales ferrosos, metales no ferrosos, etc., y el mercado de metales es muy importante en laeconomía mundial.

Propiedades de los metales

La gran resistencia del metal junto a la facilidad de su trabajo lo hacen un material excelente para cualquier construcción, en la imagen elPuente de La Vicariaconstruido en acero corten.

Los metales poseen propiedades físicas características, entre ellas sonconductoresde la electricidad. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; elbismuto(Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color; este fenómeno se denominapolicromismo.

Otras propiedades serían:

• Maleabilidad:capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a esfuerzos de compresión.
• Ductilidad:propiedad de los metales a moldearse en alambre e hilos al ser sometidos a esfuerzos de tracción.
• Tenacidad:resistencia que presentan los metales al romperse o al recibir fuerzas bruscas (golpes, etc.)
• Resistencia mecánica:capacidad para resistir esfuerzo de tracción, compresión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse.

Suelen ser opacos o debrillometálico, tienen alta densidad, son dúctiles y maleables, tienen unpunto de fusiónalto, son duros, y son buenos conductores (calor y electricidad).

La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un traslape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo cual le da su peculiar brillo.

Teoría del gas electrónico

Los metales tienen ciertas propiedades físicas características:(a excepción del mercurio) son sólidos en condiciones ambientales normales, suelen ser opacos y brillantes, tener alta densidad, ser dúctiles y maleables, tener un punto de fusión alto, ser duros, y ser buenos conductores del calor y la electricidad.

Estas propiedades se deben al hecho de que loselectronesexteriores están ligados solo «ligeramente» a losátomos,formando una especie de gas (también llamado «gas electrónico», «nube electrónica» o «mar de electrones»), que se conoce comoenlace metálico.Drudey Lorentz propusieron este modelo hacia 1900.​

Mediante la teoría del «gas electrónico» podemos explicar por qué los metales son tan buenos conductores del calor y la electricidad, pero es necesario comprender la naturaleza del enlace entre sus átomos.

Un primer intento para explicar elenlace metálicoconsistió en considerar un modelo en el cual loselectrones de valenciade cada metal se podían mover libremente en lared cristalina.De esta forma, el retículo metálico se considera constituido por un conjunto deionespositivos (los núcleos rodeados por su capa de electrones) y electrones (los de valencia), en lugar de estar formados por átomos neutros.

En definitiva, un elemento metálico se considera que está constituido porcationesmetálicos distribuidos regularmente e inmersos en un «gas electrónico» de valencia deslocalizados, actuando como un aglutinante electrostático que mantiene unidos a los cationes metálicos.

El modelo del «gas electrónico» permite una explicación cualitativa sencilla de la conductividad eléctrica y térmica de los metales. Dado que loselectronesson móviles, se pueden trasladar desde elelectrodonegativo al positivo cuando el metal se somete al efecto de unadiferencia de potencialeléctrico. Los electrones móviles también pueden conducir el calor transportando laenergía cinéticade una parte a otra del cristal. El carácter dúctil y maleable de los metales está permitido por el hecho de que el enlace deslocalizado se extiende en todas las direcciones; es decir, no está limitado a una orientación determinada, como sucede en el caso de lossólidosde redes covalentes.

Cuando uncristalmetálico se deforma, no se rompen enlaces localizados; en su lugar, el mar de electrones simplemente se adapta a la nueva distribución de los cationes, siendo la energía de la estructura deformada similar a la original. La energía necesaria para deformar un metal como el litio es relativamente baja, siendo, como es lógico, mucho mayor la que se necesita para deformar un metal de transición, porque este último posee muchos más electrones de valencia que son el aglutinante electrostático de los cationes.

Mediante la teoría del «gas electrónico» se pueden justificar de forma satisfactoria muchas propiedades de los metales, pero no es adecuada para explicar otros aspectos, como la descripción detallada de la variación de la conductividad entre los elementos metálicos.

Obtención

Un fragmento deoronativo.

Algunos metales se encuentran en forma deelementosnativos, como eloro,laplatay elcobre,aunque no es el estado más usual.

Muchos metales se encuentran en forma deóxidos.Eloxígeno,al estar presente en grandes cantidades en laatmósfera,se combina muy fácilmente con los metales, que son elementos reductores, formando compuestos como elcorindón(Al₂O₃) y lahematita(Fe₂O₃).

Lossulfurosconstituyen el tipo demenametálica más frecuente. En este grupo destacan el sulfuro de cobre (I), Cu₂S, el sulfuro de mercurio (II), HgS, el sulfuro de plomo, PbS y el sulfuro de bismuto (III), Bi₂S₃.

Losmetales alcalinos,además delberilioy elmagnesio,se suelen extraer a partir de losclorurosdepositados debido a laevaporacióndemaresylagos,aunque también se extrae delagua del mar.El ejemplo más característico es elcloruro sódicoo sal común, NaCl.

Algunosmetales alcalinotérreos,elcalcio,elestroncioy elbario,se obtienen a partir de loscarbonatosinsolubles en los que están insertos.

Por último, loslantánidosyactínidosse suelen obtener a partir de losfosfatos,que son unas sales en las que pueden estar incluidos.

Usos en la industria

Metales que están destinados a un uso especial, son elantimonio,elcadmioo ellitio.

Los pigmentos amarillos y anaranjados delcadmioson muy buscados por su granestabilidad,como protección contra lacorrosión,para lassoldadurasy lasaleacionescorrespondientes y en la fabricación debateríasdeníquelycadmio,consideradas excelentes por la seguridad de su funcionamiento. También se le utiliza como estabilizador en los materialesplásticos(PVCsad) y como aleación para mejorar las características mecánicas del alambre decobre.​ Su producción se lleva a cabo en el momento de larefinacióndezinc,con el que está ligado, se trata de un contaminante peligroso.

Ellitio,metal ligero, se emplea principalmente en lacerámicay en loscristales,comocatalizadordepolimerizacióny comolubricante,así como para la obtención delaluminiomedianteelectrólisis.También se emplea para soldar, en las pilas y en las baterías pararelojes,enmedicina(tratamiento para los maníaco-depresivos) y enquímica.

Elníquel,a causa de su elevada resistencia a lacorrosión,sirve para niquelar los objetos metálicos, con el fin de protegerlos de laoxidación​ y de darles un brillo inalterable en la intemperie.

El denominado «hierro blanco» es, en realidad, una lámina deacerodulce que recibe un baño decloruro de zincfundido, y a la que se da después un revestimiento especial deestaño.

Dilatación de los metales

Los metales son materiales que tienen una elevadadilatación,en parte debido a su conductividad. Las dilataciones son perceptibles a veces aun con los cambios de temperatura ambiental. Se miden linealmente y se fija la unidad de longitud para la variación de 1 °C de temperatura.

Maleabilidad es la propiedad de los metales de poder ser modificados en su forma y aun ser reducidos a láminas de poco espesor a temperatura ambiente, por presión continua, martillado o estirado. Produciendo las modificaciones en el metal, se llega a un momento en que ellímite de elasticidades excedido, tornándose el metal duro y quebradizo; es decir, sufre deformaciones cristalinas que lo hacen frágil. La maleabilidad puede ser recuperada mediante elrecocido,que consiste en calentar el metal a una alta temperatura luego de laminado o estirado, y dejarlo enfriar lentamente. La maleabilidad se aprecia por la sutileza del laminado. Tomando elorocomo base, se suele hacer la siguiente clasificación:

1.Oro. 2.Plata. 3.Cobre. 4.Aluminio. 5.Estaño.

6.Platino. 7.Plomo. 8.Zinc. 9.Hierro. 10.Níquel.

Definiciones de términos usados en fundiciones

• Aleación:Una aleación es una mezcla homogénea de dos o más elementos, generalmente metales (aunque a veces uno de ellos puede ser un no metal).
• Arrabio:Hierro líquido con menos impurezas que el hierro inicial.
• Escoria:Las impurezas que reaccionan con caliza.
• Alto horno:Horno para hacer aleaciones y fundiciones, se alcanzan temperaturas muy elevadas. Hay que construirlo con materiales refractarios, es decir muy resistentes al calor.

Aleaciones

Los metales pueden formaraleacionesentre sí y se clasifican en:​

• Ultraligeros: Densidad en g/cm³ inferior a 2. Los más comunes de este tipo son elmagnesioy elberilio.

Ejemplo de aleación ligera

• Ligeros: Densidad en g/cm³ inferior a 4,5. Los más comunes de este tipo son elaluminioy eltitanio.
• Pesados: Densidad en g/cm³ superior a 4,5. Son la mayoría de los metales.

Véase también la clasificación de los metales en latabla periódica.

Fractura en materiales metálicos​

Fractura dúctil

Suele presentarse en forma transgranular, es decir a través de los granos, en los metales dúctiles y con buena tenacidad.

La deformación sucede antes de la fractura final, se puede observar una deformación, la modificación visible que aparenta un cuello, entallamiento o estricción justo en la parte donde se ocasionó la falla. Estas fracturas pueden ser ocasionadas por sobrecargas simples o al aplicar un esfuerzo muy grande al material.

Si se realiza una prueba de tensión en un ensayo simple el proceso de fractura será con la nucleación, el crecimiento y la coalescencia de micro huecos, formados cuando un gran esfuerzo crea una separación en los límites de granos, conforme el esfuerzo aumenta la separación de los granos crea cavidades más grandes con lo cual el área de contacto con el metal es muy pequeña y no puede soportar la carga provocando finalmente la fractura.

Fractura frágil

Sucede en los metales y aleaciones de alta resistencia o pueden presentarse en los de mala ductibilidad y tenacidad, sin importar que los metales tengan dentro de sus propiedades la ductibilidad al exponerlos a bajas temperaturas pueden fallar por fragilidad, así mismo en las secciones gruesas o por imperfecciones.

Las fracturas frágiles son observadas con frecuencia cuando es el impacto y no la sobrecarga lo que causa la falla. El proceso comienza formando una pequeña grieta, imperfección, donde se concentra el esfuerzo. La grieta puede extenderse con una velocidad cercana al sonido, la cual se propaga con más facilidad a lo largo de planos cristalográficos específicos.

Véase también

• Enlace metálico
• No metal
• Prueba de tensión (material)
• Siderurgia
• Tabla periódica de los elementos
• Metalurgia

Enlaces externos

• Wikimedia Commonsalberga una categoría multimedia sobreMetal.
• Wikcionariotiene definiciones y otra información sobremetal.

• ElDiccionariode la Real Academia Españolatiene una definición parametal.

• Datos:Q11426
• Multimedia:Metals/Q11426
• Citas célebres:Metal