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metal noble

Extracto de la tabla periódica que muestra aproximadamente con qué frecuencia cada elemento tiende a ser reconocido como un metal noble:
 7 con mayor frecuencia (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) [1]  1 a menudo (Ag) [2]  2 a veces (Cu, Hg) [3]  6 en sentido limitado (Tc, Re, As, Sb, Bi, Po)
La gruesa línea negra encierra los siete u ocho metales más reconocidos. A veces la plata no se considera un metal noble debido a su mayor reactividad . [4]
* puede empañarse con el aire húmedo o corroerse en una solución ácida que contenga oxígeno y un oxidante
† atacado por azufre o sulfuro de hidrógeno
§ autoatacado por ozono generado por radiación

Un metal noble se considera comúnmente como un elemento químico metálico que generalmente es resistente a la corrosión y generalmente se encuentra en la naturaleza en su forma cruda . El oro , el platino y los demás metales del grupo del platino ( rutenio , rodio , paladio , osmio , iridio ) suelen clasificarse así. La plata , el cobre y el mercurio a veces se incluyen como metales nobles, pero cada uno de ellos suele presentarse en la naturaleza combinado con azufre .

En campos de estudio y aplicaciones más especializados, el número de elementos contabilizados como metales nobles puede ser mayor o menor. En física , sólo existen tres metales nobles: cobre , plata y oro. En odontología , la plata no siempre se considera un metal noble porque está sujeta a corrosión cuando está presente en la boca. En química , el término metal noble a veces se aplica de manera más amplia a cualquier elemento metálico o semimetálico que no reacciona con un ácido débil y desprende gas hidrógeno en el proceso. Este conjunto más amplio incluye cobre, mercurio , tecnecio , renio , arsénico , antimonio , bismuto , polonio , oro, los seis metales del grupo del platino y plata.

Significado e historia

Si bien las listas de metales nobles pueden diferir, tienden a agruparse en torno a los seis metales del grupo del platino (rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio, platino) más el oro.

Además de la función de este término como sustantivo compuesto , hay circunstancias en las que noble se utiliza como adjetivo del sustantivo metal . Una serie galvánica es una jerarquía de metales (u otros materiales eléctricamente conductores, incluidos compuestos y semimetales ) que va de nobles a activos y permite predecir cómo interactuarán los materiales en el entorno utilizado para generar la serie. En este sentido de la palabra, el grafito es más noble que la plata y la nobleza relativa de muchos materiales depende en gran medida del contexto, como ocurre con el aluminio y el acero inoxidable en condiciones de pH variable . [5]

El término metal noble se remonta al menos a finales del siglo XIV [6] y tiene significados ligeramente diferentes en diferentes campos de estudio y aplicación.

Antes de la publicación de Mendeleev en 1869 de la primera tabla periódica (eventualmente) ampliamente aceptada, Odling publicó una tabla en 1864, en la que los "metales nobles" rodio, rutenio, paladio; y el platino, el iridio y el osmio se agrupaban juntos, [7] y adyacentes a la plata y el oro.

Propiedades

Abundancia de elementos químicos en la corteza terrestre en función del número atómico. Los elementos más raros (mostrados en amarillo, incluidos los metales nobles) no son los más pesados, sino más bien los elementos siderófilos (aficionados al hierro) en la clasificación de elementos de Goldschmidt . Estos se han agotado al ser reubicados más profundamente en el núcleo de la Tierra . Su abundancia en materiales meteoroides es relativamente mayor. El telurio y el selenio se han agotado de la corteza debido a la formación de hidruros volátiles.

Geoquímico

Los metales nobles son siderófilos (amantes del hierro). Tienden a hundirse en el núcleo de la Tierra porque se disuelven fácilmente en hierro, ya sea en forma de soluciones sólidas o en estado fundido. La mayoría de los elementos siderófilos prácticamente no tienen afinidad alguna por el oxígeno: de hecho, los óxidos de oro son termodinámicamente inestables con respecto a los elementos.

El cobre, la plata, el oro y los seis metales del grupo del platino son los únicos metales nativos que se encuentran naturalmente en cantidades relativamente grandes. [ cita necesaria ]

Resistencia a la corrosión

Los metales nobles tienden a ser muy resistentes a la oxidación y otras formas de corrosión, y esta resistencia a la corrosión a menudo se considera una característica definitoria. Algunas excepciones se describen a continuación.

El cobre se disuelve con ácido nítrico y cianuro de potasio acuoso .

El rutenio se puede disolver en agua regia , una mezcla altamente concentrada de ácido clorhídrico y ácido nítrico , sólo en presencia de oxígeno, mientras que el rodio debe estar en forma finamente pulverizada. El paladio y la plata son solubles en ácido nítrico , estando limitada la solubilidad de la plata por la formación de un precipitado de cloruro de plata . [8]

El renio reacciona con ácidos oxidantes y peróxido de hidrógeno y se dice que se empaña con el aire húmedo. El osmio y el iridio son químicamente inertes en condiciones ambientales. [9] El platino y el oro se pueden disolver en agua regia. [10] El mercurio reacciona con ácidos oxidantes. [9]

En 2010, investigadores estadounidenses descubrieron que un "agua regia" orgánica en forma de una mezcla de cloruro de tionilo SOCl 2 y el disolvente orgánico piridina C 5 H 5 N lograba "altas tasas de disolución de metales nobles en condiciones suaves, con el beneficio adicional de poder sintonizarse con un metal específico", por ejemplo, oro pero no paladio o platino. [11]

Electrónico

En física, la expresión metal noble a veces se limita al cobre, la plata y el oro, [n 1] , ya que sus subcapas d completas contribuyen al carácter noble que tienen. Por el contrario, los otros metales nobles, especialmente los metales del grupo del platino, tienen aplicaciones catalíticas notables, que surgen de sus subcapas d parcialmente llenas. Este es el caso del paladio, que tiene una subcapa d completa en el estado atómico pero en forma condensada tiene una banda sp parcialmente llena a expensas de la ocupación de la banda d. [12]

La diferencia de reactividad se puede observar durante la preparación de superficies metálicas limpias en un vacío ultraalto : las superficies de metales nobles "físicamente definidos" (por ejemplo, oro) son fáciles de limpiar y se mantienen limpias durante mucho tiempo, mientras que las de platino o el paladio, por ejemplo, quedan cubiertos muy rápidamente por monóxido de carbono . [13]

electroquímico

Los potenciales de reducción estándar en solución acuosa también son una forma útil de predecir la química no acuosa de los metales involucrados. Así, los metales con altos potenciales negativos, como el sodio o el potasio, se encenderán en el aire formando los respectivos óxidos. Estos incendios no se pueden extinguir con agua, que también reacciona con los metales involucrados para dar hidrógeno, que es en sí mismo explosivo. Los metales nobles, por el contrario, no reaccionan con facilidad con el oxígeno y, por esa razón (y también por su escasez), han sido valorados durante milenios y utilizados en joyería y monedas. [14]

La tabla adyacente enumera el potencial de reducción estándar en voltios; [15] electronegatividad (Pauling revisado); y valores de afinidad electrónica (kJ/mol), para algunos metales y metaloides.

Las entradas simplificadas en la columna de reacción se pueden leer en detalle en los diagramas de Pourbaix del elemento considerado en el agua. Los metales nobles tienen grandes potenciales positivos; [16] los elementos que no están en esta tabla tienen un potencial estándar negativo o no son metales.

Se incluye la electronegatividad, ya que se considera "un importante impulsor de la nobleza y reactividad del metal". [3]

Debido a sus altos valores de afinidad electrónica, [17] la incorporación de un metal noble en el proceso de fotólisis electroquímica , como el platino y el oro, entre otros, puede aumentar la fotoactividad. [18]

Generalmente se considera que el arsénico y el antimonio son metaloides más que metales nobles. Sin embargo, físicamente hablando, sus alótropos más estables son los metálicos. Se han excluido los semiconductores, como el selenio y el telurio.

El deslustre negro que se ve comúnmente en la plata surge de su sensibilidad al sulfuro de hidrógeno :

2 Ag + H 2 S +1/2O 2 → Ag 2 S + H 2 O.

Rayner-Canham [4] sostiene que "la plata es mucho más reactiva químicamente y tiene una química tan diferente que no debe considerarse un 'metal noble'". En odontología , la plata no se considera un metal noble debido a su tendencia a corroerse en el ambiente bucal. [19]

La relevancia de la entrada correspondiente al agua es abordada por Li et al. [20] en el contexto de la corrosión galvánica. Tal proceso sólo ocurrirá cuando:

"(1) dos metales que tienen diferentes potenciales electroquímicos están... conectados, (2) existe una fase acuosa con electrolito, y (3) uno de los dos metales tiene... un potencial menor que el potencial de la reacción ( H
2O + 4e + O
2= 4 OH • ) que es 0.4 V...El...metal con...un potencial menor a 0.4 V actúa como un ánodo...pierde electrones...y se disuelve en el medio acuoso. El metal noble (con mayor potencial electroquímico) actúa como cátodo y, en muchas condiciones, la reacción en este electrodo es generalmente H
2O − 4 mi • − O
2= 4OH • )."

Se espera que los elementos superpesados, desde el hasio (elemento 108) hasta ellivermorio (116), inclusive, sean "metales parcialmente muy nobles"; Las investigaciones químicas del hassio han establecido que se comporta como su congénere más ligero, el osmio, y las investigaciones preliminares del nihonio y el flerovium han sugerido, pero no establecido definitivamente, un comportamiento noble. [21] El comportamiento del copernicio parece parecerse en parte tanto a su congénere más ligero, el mercurio, como al gas noble radón . [22]

Óxidos

Ya en 1890, Hiorns observó lo siguiente:

" Metales nobles. Oro, platino, plata y algunos metales raros. Los miembros de esta clase tienen poca o ninguna tendencia a unirse con el oxígeno en estado libre, y cuando se colocan en agua al rojo vivo no alteran su composición. Los óxidos se descomponen fácilmente con el calor como consecuencia de la débil afinidad entre el metal y el oxígeno." [23]

Smith, escribiendo en 1946, continuó con el tema:

"No existe una línea divisoria clara [entre 'metales nobles' y 'metales básicos'] pero quizás la mejor definición de metal noble es un metal cuyo óxido se descompone fácilmente a una temperatura inferior al rojo vivo". [n 4] [25]
"De esto se deduce que los metales nobles... tienen poca atracción por el oxígeno y, por lo tanto, no se oxidan ni decoloran a temperaturas moderadas".

Esta nobleza se debe principalmente a los valores relativamente altos de electronegatividad de los metales nobles, lo que da lugar a enlaces covalentes débilmente polares con el oxígeno. [3] La tabla enumera los puntos de fusión de los óxidos de los metales nobles, y para algunos de los de los metales no nobles, de los elementos en sus estados de oxidación más estables.

Propiedades catalíticas

Muchos de los metales nobles pueden actuar como catalizadores. Por ejemplo, el platino se utiliza en los convertidores catalíticos , dispositivos que convierten los gases tóxicos producidos en los motores de los automóviles, como los óxidos de nitrógeno, en sustancias no contaminantes.

El oro tiene muchas aplicaciones industriales; se utiliza como catalizador en la hidrogenación y en la reacción de cambio de gas agua .

Ver también

Notas

  1. ^ Véase, por ejemplo: Harrison WA 1989, Estructura electrónica y propiedades de los sólidos: la física del enlace químico, Publicaciones de Dover, p. 520
  2. ^ El óxido de paladio PdO se puede reducir a paladio metálico exponiéndolo a hidrógeno en condiciones ambientales [10]
  3. ^ Ag 4 O 4 es un compuesto de plata en estado de oxidación mixto en el estado de oxidación de 1 y 3.
  4. ^ El calor rojo incipiente corresponde a 525 °C [24]

Referencias

  1. ^ Balcerzak, M (2021). "Metales nobles, química analítica de". Enciclopedia de Química Analítica: Aplicaciones, Teoría e Instrumentación . Biblioteca en línea de Wiley. págs. 1–36. doi : 10.1002/9780470027318.a2411.pub3. ISBN 9780471976707.
  2. ^ Schlamp, G (2018). "Metales nobles y aleaciones de metales nobles". En Warlimont, H; Martienssen, W (eds.). Manual de datos de materiales de Springer . Manuales Springer. Cham: Springer. págs. 339–412. doi :10.1007/978-3-319-69743-7_14. ISBN 978-3-319-69741-3.
  3. ^ abc Kepp, KP (2020). «Causas químicas de la nobleza» (PDF) . ChemPhysChem . 21 (5): 360–369. doi :10.1002/cphc.202000013. PMID  31912974. S2CID  210087180.
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  5. ^ Everett Collier, "Guía sobre la corrosión para propietarios de embarcaciones", International Marine Publishing, 2001, pág. 21
  6. ^ "la definición de metal noble". Diccionario.com . Consultado el 6 de abril de 2018 .
  7. ^ Constable EC 2019, "Evolución y comprensión de los elementos del bloque d en la tabla periódica", Dalton Transactions, vol. 48, núm. 26, págs. 9408-9421 doi :10.1039/C9DT00765B
  8. ^ W. Xing, M. Lee, Geosys. Ing. 20, 216, 2017
  9. ^ ab Parish RV 1977, Los elementos metálicos, Longman, Londres, p. 53, 115
  10. ^ ab A. Holleman, N. Wiberg, "Química inorgánica", Academic Press, 2001
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  14. ^ G. Wulfsberg 2000, "Química inorgánica", University Science Books, Sausalito, CA, págs.270, 937.
  15. ^ G. Wulfsberg, "Inorganic Chemistry", University Science Books, 2000, págs. 247-249 ✦ Bratsch SG, "Potenciales de electrodos estándar y coeficientes de temperatura en agua a 298,15 K", Journal of Physical Chemical Reference Data, vol. 18, núm. 1, 1989, págs. 1–21 ✦ B. Douglas, D. McDaniel, J. Alexander, "Conceptos y modelos de química inorgánica", John Wiley & Sons, 1994, pág. E-3
  16. ^ Ahmad, Z (2006). Principios de ingeniería de corrosión y control de la corrosión . Ámsterdam: Elsevier. pag. 40.ISBN​ 9780080480336.
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  25. ^ Smith, JC (1946). La química y metalurgia de los materiales dentales . Oxford: Blackwell. pag. 40.

Otras lecturas

enlaces externos