Propiedades físicas y químicas de los metales (con ejemplos)

Las propiedades de los metales, tanto físicas como químicas, son claves para la construcción de sinfines de artefactos y de obras de ingeniería, así como adornos decorativos en diversas culturas y celebraciones. 

Desde tiempos inmemoriales han despertado la curiosidad por su atractiva apariencia, contrastando la opacidad de las rocas. Algunas de estas propiedades más valoradas son alta resistencia a la corrosión, baja densidad, gran dureza y tenacidad y elasticidad, entre otros.

En química interesa más los metales desde una perspectiva atómica: el comportamiento de sus iones frente a compuestos orgánicos e inorgánicos. Asimismo, de los metales pueden prepararse sales destinadas para usos muy específicos; por ejemplo, sales de cobre y oro.

No obstante, fueron las propiedades físicas las primeras en cautivar a la humanidad. Por lo general, se caracterizan por ser duraderas, lo cual es especialmente cierto en el caso de los metales nobles. Así, todo aquello que se asemejaba al oro o a la plata se consideraba valioso; se hicieron monedas, joyas, alhajas, cadenas, estatuas, platos, etc.

Propiedades físicas de los metales

Las propiedades físicas de los metales son aquellas que los definen y diferencian como materiales. No es necesario que sufran ninguna transformación causada por otras sustancias, sino por acciones físicas tales como calentarlas, deformarlas, pulimentarlas, o simplemente, mirarlas.

Brillantez

La inmensa mayoría de los metales son brillantes, y tienen además colores grisáceos o plateados. Hay algunas excepciones: el mercurio es de color negro, el cobre es rojizo, el oro dorado, y el osmio muestra algunas tonalidades azuladas. Este brillo se debe a las interacciones de los fotones con su superficie electrónicamente deslocalizada por el enlace metálico.

Dureza

Los metales son duros, salvo los alcalinos y algunos otros. Esto significa que una barra metálica será capaz de rallar la superficie que toque. En el caso de los metales alcalinos, como el rubidio, son tan blandos que se les puede raspar con la uña de los dedos; al menos antes que comiencen a corroer la carne.

Maleabilidad

Los metales suelen ser maleables a distintas temperaturas. Cuando se les golpea, y si se deforman o aplastan sin que se fracturen o desmenucen, entonces se dice que el metal es maleable y exhibe maleabilidad. No todos los metales son maleables.

Ductilidad

Los metales, además de maleables, pueden ser dúctiles. Cuando un metal es dúctil es capaz de sufrir deformaciones en una misma dirección, tornándose como si fuera un hilo o alambre. Si se sabe que un metal puede comercializarse en ruedas de cables, podremos afirmar que se trata de un metal dúctil; por ejemplo, alambres de cobre y oro.

Conductividad térmica y eléctrica

Los metales son buenos conductores tanto del calor como de la electricidad. Entre los mejores conductores del calor tenemos al aluminio y al cobre; mientras que los que conducen mejor la electricidad son la plata, el cobre y el oro. Por lo tanto, el cobre es un metal altamente apreciado en la industria por su excelente conductividad térmica y eléctrica.

Sonoridad

Los metales son materiales sonoros. Si se golpean dos piezas metálicas, se producirá un sonido característico para cada metal. Los expertos y amantes de los metales son de hecho capaces de distinguirlos por el sonido que emiten.

Altos puntos de fusión y ebullición

Los metales pueden resistir altas temperaturas antes de fundirse. Algunos metales como el tungsteno y osmio funden a temperaturas de 3422 ºC y 3033 ºC respectivamente. Sin embargo, el zinc (419,5 ºC) y el sodio (97,79 ºC) funden a muy bajas temperaturas.

De entre todos, el cesio (28,44 ºC) y el galio (29,76 ºC) son los que funden a las menores temperaturas.

A partir de estos valores puede tenerse una idea de por qué en los procesos de soldadura se utiliza un arco eléctrico y se originan intensos destellos.

Por otro lado, los altos puntos de fusión indican por sí mismos que todos los metales son sólidos a temperatura ambiente (25 ºC); a excepción del mercurio, único metal y uno de los pocos elementos químicos que es líquido.

Aleaciones

Aunque no sea como tal una propiedad física, los metales pueden mezclarse entre sí, siempre que sus átomos logren adaptarse para originar aleaciones. Estas son pues mezclas sólidas. Un par de metales pueden alearse con más facilidad que otro; y algunos de hecho no pueden alearse en lo absoluto debido a la baja afinidad existente entre ellos.

El cobre se “lleva bien” con el estaño, mezclándose con él para formar bronce; o con el zinc, para formar el latón. Las aleaciones ofrecen múltiples alternativas cuando los metales por sí solos no pueden cumplir con las características exigidas para una aplicación; como cuando se quiere combinar la ligereza de un metal con la tenacidad de otro.

Propiedades químicas de los metales

Las propiedades químicas son aquellas inherentes a sus átomos y cómo interaccionan con moléculas ajenas a su entorno para dejar de ser metales, para transformarse así en otros compuestos (óxidos, sulfuros, sales, complejos organometálicos, etc.). Se tratan entonces de su reactividad y de sus estructuras.

Estructuras y enlaces

Los metales a diferencia de los elementos no metálicos no se agrupan como moléculas, M-M, sino como una red de átomos M cohesionados por sus electrones externos.

En este sentido, los átomos metálicos permanecen fuertemente unidos por un “mar de electrones” que los bañan, y van a todas partes; es decir, se encuentran deslocalizados, no están fijos en ningún enlace covalente, sino que conforman el enlace metálico. Esta red es muy ordenada y repetitiva, por lo que tenemos cristales metálicos.

Los cristales metálicos, de diferentes tamaños y llenos de imperfecciones, y su enlace metálico, son los responsables de las propiedades físicas observadas y medidas para los metales. El que sean coloridos, brillantes, buenos conductores, y sonoros, todo se debe a su estructura y a su deslocalización electrónica.

Hay cristales donde los átomos se encuentran más compactados que otros. Por lo tanto, los metales pueden ser tan densos como el plomo, el osmio o el iridio; o tan livianos como el litio, capaz inclusive de flotar sobre el agua antes de reaccionar.

Corrosión

Los metales son susceptibles a corroerse; aunque varios de ellos pueden resistirlo excepcionalmente en condiciones normales (metales nobles). La corrosión es una oxidación progresiva de la superficie del metal, la cual termina por desmenuzarse, ocasionando manchas y huecos que estropean su brillante superficie, además de otros colores indeseables.

Metales como el titanio e iridio tienen una alta resistencia a la corrosión, ya que la capa de sus óxidos formados no reacciona con la humedad, ni permiten que el oxígeno penetre el interior del metal. Y de los metales más fáciles de corroer tenemos al hierro, cuyas herrumbres son bastante reconocibles por su color pardo.

Agentes reductores

Algunos metales son excelentes agentes reductores. Esto significa que ceden sus electrones a otras especies ávidas de electrones. El resultado de esta reacción es que terminan convirtiéndose en cationes, Mⁿ⁺, donde n es el estado de oxidación del metal; es decir, su carga positiva, la cual puede ser polivalente (mayor a 1+).

Por ejemplo, los metales alcalinos se utilizan para reducir algunos óxidos o cloruros. Cuando esto sucede con el sodio, Na, este pierde su único electrón de valencia (por ser del grupo 1) para quedar como ion o catión sodio, Na⁺ (monovalente).

Similarmente ocurre con el calcio, Ca (grupo 2), el cual pierde dos electrones en lugar de solo uno y queda como catión divalente Ca²⁺.

Los metales pueden utilizarse como agentes reductores debido a que son elementos electropositivos; tienden más a ceder sus electrones que a ganarlos de otras especies.

Reactividad

Habiendo dicho que los electrones tienden a perder electrones, es de esperarse que en todas sus reacciones (o la mayoría) terminen transformándose en cationes. Ahora, estos cationes en apariencia interaccionan con aniones para generar una amplia gama de compuestos.

Por ejemplo, los metales alcalinos y alcalinotérreos reaccionan directamente (y explosivamente) con el agua para formar hidróxidos, M(OH)_n, formados por iones Mⁿ⁺ y OH^–, o por enlaces M-OH.

Cuando los metales reaccionan con el oxígeno a altas temperaturas (como las alcanzadas por una llama), se transforman en óxidos M₂O_n (Na₂O, CaO, MgO, Al₂O₃, etc.). Esto se debe a que en el aire tenemos oxígeno; pero también nitrógeno, y algunos metales pueden formar una mezcla de óxidos y nitruros, M₃N_n (TiN, AlN, GaN, Be₃N₂, Ag₃N, etc.).

Los metales pueden ser atacados por ácidos y bases fuertes. En el primer caso, se obtienen sales, y en el segundo nuevamente hidróxidos o complejos básicos.

La capa de óxido que recubre algunos metales impide que los ácidos ataquen al metal. Por ejemplo, el ácido clorhídrico no puede disolver todos los metales formando sus respectivos cloruros metálicos, solubles en agua.