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Metal

referirse al título
El hierro , que se muestra aquí como fragmentos y un cubo de 1 cm 3 , es un ejemplo de elemento químico que es un metal.
Una salsera de metal
Metal en forma de salsera elaborado a partir de acero inoxidable, una aleación compuesta en gran parte por hierro, cromo y níquel.

Un metal (del griego antiguo μέταλλον ( métallon )  'mina, cantera, metal') es un material que, cuando se pule o se fractura, muestra una apariencia brillante y conduce relativamente bien la electricidad y el calor . Todas estas propiedades están asociadas con tener electrones disponibles en el nivel de Fermi , a diferencia de los materiales no metálicos que no los tienen. [1] : Capítulos 8 y 19  [2] : Capítulos 7 y 8  Los metales suelen ser dúctiles (pueden transformarse en alambres) y maleables (pueden martillarse hasta formar láminas delgadas). [3]

Un metal puede ser un elemento químico como el hierro ; una aleación tal como acero inoxidable ; o un compuesto molecular tal como nitruro de azufre polimérico . [4] La ciencia general de los metales se denomina metalurgia , un subtema de la ciencia de los materiales ; Los aspectos de las propiedades electrónicas y térmicas también están dentro del alcance de la física de la materia condensada y la química del estado sólido , es un tema multidisciplinario . En el uso coloquial se hace referencia como metales a materiales como las aleaciones de acero, mientras que otros como los polímeros, la madera o la cerámica son materiales no metálicos .

Un metal conduce electricidad a una temperatura de cero absoluto , [5] lo cual es consecuencia de estados deslocalizados en la energía de Fermi. [1] [2] Muchos elementos y compuestos se vuelven metálicos bajo altas presiones, por ejemplo, el yodo gradualmente se convierte en metal a una presión de entre 40 y 170 mil veces la presión atmosférica . El sodio se convierte en no metal a una presión de poco menos de dos millones de veces la presión atmosférica, y a presiones aún más altas se espera que vuelva a convertirse en metal.

Cuando se habla de la tabla periódica y de algunas propiedades químicas, el término metal se utiliza a menudo para denotar aquellos elementos que en forma pura y en condiciones estándar son metales en el sentido de conducción eléctrica mencionado anteriormente. El término relacionado metálico también puede usarse para tipos de átomos dopantes o elementos de aleación.

En astronomía, el metal se refiere a todos los elementos químicos de una estrella que son más pesados ​​que el helio . En este sentido los primeros cuatro "metales" que se acumulan en los núcleos estelares mediante la nucleosíntesis son el carbono , el nitrógeno , el oxígeno y el neón . Una estrella fusiona átomos más ligeros, principalmente hidrógeno y helio, en átomos más pesados ​​a lo largo de su vida. La metalicidad de un objeto astronómico es la proporción de su materia constituida por elementos químicos más pesados. [6] [7]

La fuerza y ​​resistencia de algunos metales ha llevado a su uso frecuente, por ejemplo, en la construcción de rascacielos y puentes , así como en la mayoría de los vehículos, muchos electrodomésticos , herramientas, tuberías y vías de ferrocarril. Los metales preciosos se utilizaron históricamente como moneda , pero en la era moderna, los metales acuñados se han extendido a al menos 23 de los elementos químicos. [8] En la industria de los semiconductores también se utilizan ampliamente metales multielementos como el nitruro de titanio [9] o semiconductores degenerados .

Se cree que la historia de los metales refinados comienza con el uso del cobre hace unos 11.000 años. El oro, la plata, el hierro (como hierro meteórico), el plomo y el latón también se utilizaban antes de la primera aparición conocida del bronce en el quinto milenio a.C. Los desarrollos posteriores incluyen la producción de las primeras formas de acero; el descubrimiento del sodio —el primer metal ligero— en 1809; el auge de los aceros aleados modernos ; y, desde el final de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de aleaciones más sofisticadas.

Propiedades

Forma y estructura

Cristales de galio sobre una mesa
cristales de galio

La mayoría de los metales son brillantes y lustrosos , al menos cuando están pulidos o fracturados. Las láminas de metal de un grosor superior a unos pocos micrómetros parecen opacas, pero el pan de oro transmite luz verde. Esto se debe a que los electrones se mueven libremente y reflejan la luz. [1] [2]

Aunque la mayoría de los metales elementales tienen densidades más altas que los no metales , [10] existe una amplia variación en sus densidades, siendo el litio el menos denso (0,534 g/cm 3 ) y el osmio (22,59 g/cm 3 ) el más denso. Se espera que algunos de los metales de transición 6d sean más densos que el osmio, pero sus isótopos conocidos son demasiado inestables para que sea posible una producción en masa [11] El magnesio, el aluminio y el titanio son metales ligeros de importante importancia comercial. Sus densidades respectivas de 1,7, 2,7 y 4,5 g/cm 3 se pueden comparar con las de los metales estructurales más antiguos, como el hierro con 7,9 y el cobre con 8,9 g/cm 3 . Los metales ligeros más comunes son las aleaciones de aluminio [12] [13] y magnesio [14] [15] .

Aspecto esquemático de barras metálicas redondas después de ensayos de tracción.
(a) Fractura frágil
(b) Fractura dúctil
(c) Fractura completamente dúctil

Los metales suelen ser maleables y dúctiles, y se deforman bajo tensión sin escindirse . [10] La naturaleza no direccional del enlace metálico contribuye a la ductilidad de la mayoría de los sólidos metálicos, donde la tensión de Peierls es relativamente baja, lo que permite el movimiento de dislocación , y también hay muchas combinaciones de planos y direcciones para la deformación plástica . [16] Debido a que tienen disposiciones de átomos muy compactas, el vector de Burgers de las dislocaciones es bastante pequeño, lo que también significa que la energía necesaria para producir uno es pequeña. [3] [16] Por el contrario, en un compuesto iónico como la sal de mesa, los vectores de Burgers son mucho más grandes y la energía para mover una dislocación es mucho mayor. [3] La deformación elástica reversible en metales puede describirse bien mediante la ley de Hooke para las fuerzas restauradoras, donde la tensión es linealmente proporcional a la deformación . [17]

Un cambio de temperatura puede provocar el movimiento de defectos estructurales en el metal, como límites de grano , puntos vacantes , dislocaciones de líneas y tornillos , fallas de apilamiento y maclas tanto en metales cristalinos como no cristalinos . También pueden producirse deslizamientos internos , fluencia y fatiga del metal . [3] [16]

Los átomos de sustancias metálicas simples suelen estar en una de las tres estructuras cristalinas comunes , a saber, cúbica centrada en el cuerpo (bcc), cúbica centrada en las caras (fcc) y hexagonal compacta (hcp). En bcc, cada átomo se coloca en el centro de un cubo de otros ocho. En fcc y hcp, cada átomo está rodeado por otros doce, pero el apilamiento de las capas difiere. Algunos metales adoptan estructuras diferentes según la temperatura. [18]

Muchos otros metales con diferentes elementos tienen estructuras más complicadas, como la estructura de sal gema en el nitruro de titanio o la perovskita (estructura) en algunos niquelatos. [19]


electrica y termica

Los estados de energía disponibles para los electrones en diferentes tipos de sólidos en equilibrio termodinámico .
 
Aquí, la altura es energía, mientras que el ancho es la densidad de estados disponibles para una determinada energía en el material enumerado. El sombreado sigue la distribución de Fermi-Dirac ( negro = todos los estados llenos, blanco = ningún estado lleno).
 
El nivel de Fermi E F es el nivel de energía en el que los electrones están en condiciones de interactuar con los niveles de energía superiores a ellos. En metales y semimetales, el nivel de Fermi E F se encuentra dentro de al menos una banda de estados energéticos.
 
En aisladores y semiconductores , el nivel de Fermi está dentro de una banda prohibida ; sin embargo, en los semiconductores las bandas están lo suficientemente cerca del nivel de Fermi como para estar pobladas térmicamente con electrones o huecos .

La estructura electrónica de los metales significa que son relativamente buenos conductores de electricidad . Todos los electrones tienen momentos diferentes , cuyo promedio es cero cuando no hay voltaje externo . Cuando se aplica un voltaje, algunos se mueven un poco más rápido en una dirección determinada, otros un poco más lento, por lo que hay una velocidad de deriva neta que conduce a una corriente eléctrica. [1] [2] Esto implica pequeños cambios en las funciones de onda en las que se encuentran los electrones, cambiando a aquellas con momentos más altos. La mecánica cuántica dicta que sólo se puede tener un electrón en un estado determinado, el principio de exclusión de Pauli . [20] Por lo tanto, tiene que haber estados de electrones deslocalizados vacíos (con los momentos más altos) disponibles en las energías ocupadas más altas, como se muestra en la Figura. En un semiconductor como el silicio o un no metal como el titanato de estroncio, existe una brecha de energía entre los estados más llenos de los electrones y los más bajos sin llenar, por lo que no hay estados accesibles con momentos ligeramente más altos. En consecuencia, los semiconductores y los no metales son malos conductores, aunque pueden transportar algo de corriente cuando están dopados con elementos que introducen estados energéticos adicionales parcialmente ocupados a temperaturas más altas. [21]

Los metales elementales tienen valores de conductividad eléctrica de 6,9 ​​× 10 3 S /cm para el manganeso a 6,3 × 10 5 S/cm para la plata . Por el contrario, un metaloide semiconductor como el boro tiene una conductividad eléctrica de 1,5 × 10 −6 S/cm. Con una excepción, los elementos metálicos reducen su conductividad eléctrica cuando se calientan. El plutonio aumenta su conductividad eléctrica cuando se calienta en el rango de temperatura de alrededor de -175 a +125 °C, con un coeficiente de expansión térmica anormalmente grande y un cambio de fase de monoclínico a cúbico centrado en las caras cerca de 100 °C. [22]

Densidad de estados de TiN, con los estados ocupados sombreados en azul y el nivel de Fermi en el origen x. Se muestran todos los estados, así como los asociados a los átomos de Ti y N.

Todas las aleaciones metálicas, así como las cerámicas y polímeros conductores, son metales según la misma definición; por ejemplo, el nitruro de titanio tiene estados deslocalizados en el nivel de Fermi. Tienen conductividades eléctricas similares a las de los metales elementales. Las formas líquidas también son conductores metálicos o de electricidad, por ejemplo el mercurio . En condiciones normales ningún gas es conductor metálico. Sin embargo, un plasma (física) es un conductor metálico y las partículas cargadas en un plasma tienen muchas propiedades en común con las de los electrones en los metales elementales, particularmente en las estrellas enanas blancas. [23]

Los metales son relativamente buenos conductores del calor , que en los metales se transporta principalmente mediante electrones de conducción. [24] A temperaturas más altas, los electrones pueden ocupar niveles de energía ligeramente más altos dados por las estadísticas de Fermi-Dirac . [2] [21] Estos tienen momentos ( energía cinética ) ligeramente mayores y pueden transmitir energía térmica. La ley empírica de Wiedemann-Franz establece que en muchos metales la relación entre las conductividades térmica y eléctrica es proporcional a la temperatura, con una constante de proporcionalidad que es aproximadamente la misma para todos los metales. [2]

Unidad de demostración de baterías para polímeros conductores construida por el premio Nobel Alan MacDiarmid
Unidad de demostración de baterías para polímeros conductores construida por el premio Nobel Alan MacDiarmid [25]

La contribución de los electrones de un metal a su capacidad calorífica y conductividad térmica, y la conductividad eléctrica del propio metal, se pueden calcular aproximadamente a partir del modelo de electrones libres . [2] Sin embargo, esto no tiene en cuenta la estructura detallada de la red iónica del metal. Tener en cuenta el potencial positivo causado por la disposición de los núcleos de iones permite considerar la estructura de la banda electrónica y la energía de enlace de un metal. Son aplicables varios modelos, siendo el más simple el modelo del electrón casi libre . [2] Normalmente se utilizan métodos modernos como la teoría funcional de la densidad . [26] [27]

Químico

Los elementos que forman los metales suelen formar cationes mediante pérdida de electrones. [10] La mayoría reaccionará con el oxígeno del aire para formar óxidos en varias escalas de tiempo ( el potasio se quema en segundos mientras que el hierro se oxida durante años), lo que depende de si el óxido nativo forma una capa de pasivación que actúa como barrera de difusión . [28] [29] Algunos otros, como el paladio , el platino y el oro , no reaccionan con la atmósfera en absoluto; El oro puede formar compuestos donde gana un electrón (auridas, p. ej. auridas de cesio ). Los óxidos de los metales elementales suelen ser básicos . Sin embargo, los óxidos con estados de oxidación muy altos como CrO 3 , Mn 2 O 7 y OsO 4 a menudo tienen reacciones estrictamente ácidas; y los óxidos de los metales menos electropositivos, como BeO, Al 2 O 3 y PbO, pueden presentar propiedades tanto básicas como ácidas. Estos últimos se denominan óxidos anfóteros .

Distribución de la tabla periódica

Los elementos que forman estructuras exclusivamente metálicas en condiciones normales se muestran en amarillo en la siguiente tabla periódica. Los elementos restantes forman estructuras de red covalentes (azul claro), estructuras covalentes moleculares (azul oscuro) o permanecen como átomos individuales (violeta). [30] El astato (At), el francio (Fr) y los elementos a partir del fermio (Fm) en adelante se muestran en gris porque son extremadamente radiactivos y nunca se han producido en masa. La evidencia teórica y experimental sugiere que casi todos estos elementos no investigados deberían ser metales, [31] aunque existen algunas dudas sobre el oganesson (Og). [32]

La situación cambia con la presión: a presiones extremadamente altas, se espera que todos los elementos (y de hecho todas las sustancias) se metalicen. [31] El arsénico (As) tiene un alótropo metálico estable y un alótropo semiconductor metaestable en condiciones estándar. Una situación similar afecta al carbono (C): el grafito es metálico, pero el diamante no.

Aleaciones

Tres barras de metal Babbitt.
Muestras de metal babbitt , una aleación de estaño , antimonio y cobre , utilizada en rodamientos para reducir la fricción

En el contexto de los metales, una aleación es una sustancia que tiene propiedades metálicas y que está compuesta por dos o más elementos . A menudo al menos uno de ellos es un elemento metálico; El término "aleación" se utiliza a veces de forma más general, como en las aleaciones de silicio-germanio . Una aleación puede tener una composición variable o fija. Por ejemplo, el oro y la plata forman una aleación en la que se pueden variar las proporciones de oro o plata; El titanio y el silicio forman una aleación TiSi 2 en la que la proporción de los dos componentes es fija (también conocida como compuesto intermetálico [33] [34] ).

Una escultura de metal
Una escultura fundida en alpaca, una aleación de cobre, níquel y zinc que parece plata.

La mayoría de los metales puros son demasiado blandos, quebradizos o químicamente reactivos para su uso práctico. La combinación de diferentes proporciones de metales y otros elementos en aleaciones modifica las propiedades para producir características deseables, por ejemplo, más dúctil, más duro, resistente a la corrosión o tener un color y brillo más deseables. De todas las aleaciones metálicas que se utilizan hoy en día, las aleaciones de hierro ( acero , acero inoxidable , hierro fundido , acero para herramientas , acero aleado ) constituyen la mayor proporción tanto en cantidad como en valor comercial. El hierro aleado con diversas proporciones de carbono produce aceros con bajo, medio y alto contenido de carbono, y el aumento de los niveles de carbono reduce la ductilidad y la tenacidad. La adición de silicio producirá hierro fundido, mientras que la adición de cromo , níquel y molibdeno a los aceros al carbono (más del 10%) da como resultado aceros inoxidables con mayor resistencia a la corrosión.

Otras aleaciones metálicas importantes son las de aluminio , titanio , cobre y magnesio . Las aleaciones de cobre se conocen desde la prehistoria ( el bronce dio nombre a la Edad del Bronce ) y hoy en día tienen muchas aplicaciones, sobre todo en cableado eléctrico. Las aleaciones de los otros tres metales se han desarrollado relativamente recientemente; debido a su reactividad química necesitan procesos de extracción electrolítica . Las aleaciones de aluminio, titanio y magnesio se valoran por sus altas relaciones resistencia-peso; El magnesio también puede proporcionar protección electromagnética . [35] [36] Estos materiales son ideales para situaciones donde la alta relación resistencia-peso es más importante que el costo del material, como en la industria aeroespacial y algunas aplicaciones automotrices.

Las aleaciones especialmente diseñadas para aplicaciones muy exigentes, como los motores a reacción , pueden contener más de diez elementos.

Categorías

Los metales se pueden clasificar por su composición, propiedades físicas o químicas. Las categorías descritas en las subsecciones siguientes incluyen metales ferrosos y no ferrosos ; metales quebradizos y metales refractarios ; metales blancos; metales pesados ​​y ligeros ; metales básicos , nobles y preciosos , así como cerámicas y polímeros metálicos.

Metales ferrosos y no ferrosos

El término "ferroso" se deriva de la palabra latina que significa "que contiene hierro". Esto puede incluir hierro puro, como el hierro forjado , o una aleación como el acero . Los metales ferrosos suelen ser magnéticos , pero no exclusivamente. Los metales y aleaciones no ferrosos carecen de cantidades apreciables de hierro.

Metal elemental quebradizo

Si bien casi todos los metales elementales son maleables o dúctiles, algunos (berilio, cromo, manganeso, galio y bismuto) son frágiles. [37] El arsénico y el antimonio, si se admiten como metales, son frágiles. Los valores bajos de la relación entre el módulo elástico aparente y el módulo de corte (criterio de Pugh) son indicativos de fragilidad intrínseca. Un material es frágil si a las dislocaciones les resulta difícil moverse, lo que a menudo se asocia con grandes vectores de Burgers y solo un número limitado de planos de deslizamiento. [38]

metal refractario

Un metal refractario es un metal muy resistente al calor y al desgaste. Los metales que pertenecen a esta categoría varían; la definición más común incluye niobio, molibdeno, tantalio, tungsteno y renio, así como sus aleaciones. Todos ellos tienen puntos de fusión superiores a 2000 °C y una alta dureza a temperatura ambiente. Varios compuestos, como el nitruro de titanio, también se describen como metales refractarios.

metal blanco

Un metal blanco es cualquiera de una gama de aleaciones de color blanco con puntos de fusión relativamente bajos que se utilizan principalmente con fines decorativos. [39] [40] En Gran Bretaña, el comercio de bellas artes utiliza el término "metal blanco" en los catálogos de subastas para describir artículos de plata extranjeros que no llevan marcas de la British Assay Office, [41] pero que, no obstante, se entienden como plata y son precio en consecuencia.

Metales pesados ​​y ligeros.

Un metal pesado es cualquier metal o metaloide relativamente denso . [42] Se han propuesto definiciones más específicas, pero ninguna ha obtenido una aceptación generalizada. Algunos metales pesados ​​tienen usos especializados o son notablemente tóxicos; algunos son esenciales en pequeñas cantidades. Todos los demás metales son metales ligeros.

Metales básicos, nobles y preciosos.

El término metal base se refiere a un metal que se oxida o corroe fácilmente , como por ejemplo que reacciona fácilmente con ácido clorhídrico (HCl) diluido para formar un cloruro metálico e hidrógeno . Los ejemplos incluyen hierro, níquel , plomo y zinc. El cobre se considera un metal base ya que se oxida con relativa facilidad, aunque no reacciona con el HCl.

Polvo de rodio, cilindro de rodio y bolita de rodio seguidos
Rodio , un metal noble , que se muestra aquí como 1 g de polvo, un cilindro prensado de 1 g y una pastilla de 1 g.

El término metal noble se utiliza comúnmente en oposición a metal base . Los metales nobles son menos reactivos y resistentes a la corrosión o la oxidación , [43] a diferencia de la mayoría de los metales base . Suelen ser metales preciosos, a menudo debido a su percepción de rareza. Los ejemplos incluyen oro, platino, plata, rodio , iridio y paladio.

En alquimia y numismática , el término metal común se contrasta con el de metal precioso , es decir, los de alto valor económico. [44] La mayoría de las monedas actuales están hechas de metales comunes con bajo valor intrínseco ; en el pasado, las monedas con frecuencia derivaban su valor principalmente de su contenido en metales preciosos ; El oro , la plata , el platino y el paladio tienen cada uno un código de moneda ISO 4217 . Actualmente tienen usos industriales como el platino y el paladio en convertidores catalíticos , se utilizan en joyería y también un papel como inversión y depósito de valor . [45] El paladio y el platino, en el verano de 2024, estaban valorados en poco menos de la mitad del precio del oro, mientras que la plata es sustancialmente menos costosa.

Metales de válvulas

En electroquímica, un metal de válvula es un metal por el que pasa la corriente en una sola dirección debido a la formación posterior de cualquier óxido aislante. [46]

Cerámica metálica

Broca recubierta de TiN

Hay muchos compuestos cerámicos que tienen conducción eléctrica metálica, pero no son simples combinaciones de elementos metálicos. (No son lo mismo que los cermets , que son compuestos de una cerámica no conductora y un metal conductor). Por un lado, los nitruros de metales de transición tienen un carácter iónico significativo en la unión, por lo que pueden clasificarse como cerámicas y metales. [9] Tienen estados parcialmente llenos en el nivel de Fermi [9], por lo que son buenos conductores térmicos y eléctricos, y a menudo hay una transferencia de carga significativa desde los átomos de los metales de transición al nitrógeno. [9] Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los metales elementales, los metales cerámicos a menudo no son particularmente dúctiles. Sus usos están muy extendidos; por ejemplo, el nitruro de titanio se utiliza en dispositivos ortopédicos [47] y como revestimiento resistente al desgaste. [48] ​​En muchos casos, su utilidad depende de que existan métodos de deposición efectivos para que puedan usarse como recubrimientos de película delgada. [49]

Polímeros metálicos

Varios de los polímeros conductores [50]

Hay muchos polímeros que tienen conducción eléctrica metálica, [51] [52] típicamente asociados con componentes aromáticos extendidos, como en los polímeros indicados en la Figura. La conducción de las regiones aromáticas es similar a la del grafito, por lo que es altamente direccional. [53]

medio metal

Un semimetal es cualquier sustancia que actúa como conductor de electrones de una orientación de espín , pero como aislante o semiconductor de aquellos de espín opuesto. Fueron descritos por primera vez en 1983, como una explicación de las propiedades eléctricas de las aleaciones de Heusler basadas en manganeso . [54] Aunque todos los medios metales son ferromagnéticos (o ferrimagnéticos ), la mayoría de los ferroimanes no son medios metales. Muchos de los ejemplos conocidos de semimetales son óxidos , sulfuros o aleaciones de Heusler . [55]

Semimetal

Un semimetal es un material con una pequeña superposición de energía entre la parte inferior de la banda de conducción y la parte superior de la banda de valencia , pero no se superponen en el espacio de momento . A diferencia de un metal normal, los semimetales tienen portadores de carga de ambos tipos (huecos y electrones), por lo que también se podría argumentar que deberían denominarse "metales dobles" en lugar de semimetales. Sin embargo, los portadores de carga suelen aparecer en cantidades mucho menores que en un metal real. En este aspecto se parecen más a los semiconductores degenerados . Esto explica por qué las propiedades eléctricas de los semimetales están a medio camino entre las de los metales y las de los semiconductores . Existen otros tipos, en particular los semimetales de Weyl y Dirac . [56]

Los elementos semimetálicos elementales clásicos son el arsénico , el antimonio , el bismuto , el α- estaño (estaño gris) y el grafito . También existen compuestos químicos , como el telururo de mercurio (HgTe), [57] y algunos polímeros conductores pueden comportarse como semimetales. [58]

Ciclo vital

Formación

Los elementos metálicos hasta las proximidades del hierro (en la tabla periódica) se obtienen en gran medida mediante nucleosíntesis estelar . En este proceso, los elementos más ligeros, desde el hidrógeno hasta el silicio, sufren sucesivas reacciones de fusión dentro de las estrellas, liberando luz y calor y formando elementos más pesados ​​con números atómicos más altos. [59]

Los elementos más pesados ​​no suelen formarse de esta manera, ya que las reacciones de fusión que involucran a dichos núcleos consumirían energía en lugar de liberarla. [60] Más bien, se sintetizan en gran medida (a partir de elementos con un número atómico más bajo) mediante captura de neutrones , siendo los dos modos principales de esta captura repetitiva el proceso s y el proceso r . En el proceso s ("s" significa "lento"), las capturas singulares están separadas por años o décadas, lo que permite que los núcleos menos estables se desintegren beta , [61] mientras que en el proceso r ("rápido"), las capturas suceden más rápido de lo que los núcleos pueden desintegrarse. Por lo tanto, el proceso s toma un camino más o menos claro: por ejemplo, los núcleos estables de cadmio-110 son bombardeados sucesivamente por neutrones libres dentro de una estrella hasta que se forman núcleos de cadmio-115 que son inestables y se desintegran para formar indio-115. (que es casi estable, con una vida media30.000 veces la edad del universo). Estos núcleos capturan neutrones y forman indio-116, que es inestable y se desintegra para formar estaño-116, y así sucesivamente. [59] [62] [n 2] Por el contrario, no existe tal ruta en el proceso r. El proceso s se detiene en el bismuto debido a las cortas vidas medias de los dos elementos siguientes, polonio y astato, que se descomponen en bismuto o plomo. El proceso r es tan rápido que puede saltarse esta zona de inestabilidad y continuar creando elementos más pesados ​​como el torio y el uranio. [64]

Los metales se condensan en los planetas como resultado de procesos de evolución y destrucción estelar. Las estrellas pierden gran parte de su masa cuando es expulsada al final de su vida y, a veces, posteriormente como resultado de una fusión de estrellas de neutrones , [65] [n 3], aumentando así la abundancia de elementos más pesados ​​que el helio en el medio interestelar . Cuando la atracción gravitacional hace que esta materia se fusione y colapse, se forman nuevas estrellas y planetas . [67]

Abundancia y ocurrencia

Una muestra de diáspora.
Una muestra de diáspora , un mineral de hidróxido de óxido de aluminio, α-AlO(OH)

La corteza terrestre está formada aproximadamente por un 25% en peso de elementos metálicos, de los cuales el 80% son metales ligeros como el sodio, el magnesio y el aluminio. A pesar de la escasez general de algunos metales más pesados, como el cobre, pueden concentrarse en cantidades económicamente extraíbles como resultado de la formación de montañas, la erosión u otros procesos geológicos.

Los elementos metálicos se encuentran principalmente como litófilos (amantes de las rocas) o calcófilos (amantes de los minerales). Los elementos litófilos son principalmente los elementos del bloque s, los más reactivos de los elementos del bloque d y los elementos del bloque f. Tienen una fuerte afinidad por el oxígeno y existen principalmente como minerales de silicato de densidad relativamente baja. Los elementos calcófilos son principalmente los elementos del bloque d menos reactivos y los metales del bloque p del período 4-6. Generalmente se encuentran en minerales de sulfuro (insolubles). Al ser más densos que los litófilos, por lo que se hunden más profundamente en la corteza en el momento de su solidificación, los calcófilos tienden a ser menos abundantes que los litófilos.

Por otro lado, el oro es un elemento siderófilo o amante del hierro. No forma fácilmente compuestos con oxígeno o azufre. En el momento de la formación de la Tierra, y como el más noble (inerte) de los elementos metálicos, el oro se hundió en el núcleo debido a su tendencia a formar aleaciones metálicas de alta densidad. En consecuencia, es relativamente raro. Algunos otros (menos) nobles (molibdeno, renio, metales del grupo del platino (rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino), germanio y estaño) pueden contarse como siderófilos, pero sólo en términos de su aparición primaria en la Tierra (núcleo, manto y corteza), más bien la corteza. Por lo demás, estos se encuentran en la corteza, en pequeñas cantidades, principalmente como calcófilos (menos en su forma nativa). [n 4]

Se cree que el núcleo externo fluido en rotación del interior de la Tierra, que está compuesto principalmente de hierro, es la fuente del campo magnético protector de la Tierra. [n 5] El núcleo se encuentra por encima del núcleo interno sólido de la Tierra y debajo de su manto. Si pudiera reorganizarse en una columna con una superficie de 5 m 2 (54 pies cuadrados), tendría una altura de casi 700 años luz. El campo magnético protege a la Tierra de las partículas cargadas del viento solar y de los rayos cósmicos que, de otro modo, destruirían la atmósfera superior (incluida la capa de ozono que limita la transmisión de la radiación ultravioleta).

Extracción

Los elementos metálicos a menudo se extraen de la Tierra mediante la extracción de minerales que son fuentes ricas en los elementos necesarios, como la bauxita . Los minerales se localizan mediante técnicas de prospección , seguidas de la exploración y examen de los depósitos. Las fuentes minerales generalmente se dividen en minas a cielo abierto , que se extraen mediante excavación con equipo pesado, y minas subterráneas . En algunos casos, el precio de venta del metal o metales involucrados hace que sea económicamente viable extraer fuentes de menor concentración.

Una vez extraído el mineral, se deben extraer los elementos , normalmente mediante reducción química o electrolítica. La pirometalurgia utiliza altas temperaturas para convertir el mineral en metales en bruto, mientras que la hidrometalurgia emplea química acuosa para el mismo propósito.

Cuando un mineral metálico es un compuesto iónico, el mineral generalmente debe fundirse (calentarse con un agente reductor) para extraer el metal puro. Muchos metales comunes, como el hierro, se funden utilizando carbono como agente reductor. Algunos metales, como el aluminio y el sodio , no tienen ningún agente reductor comercialmente práctico y, en su lugar, se extraen mediante electrólisis . [68] [69]

Los minerales de sulfuro no se reducen directamente al metal, sino que se tuestan al aire para convertirlos en óxidos.

Reciclaje

Un montón de chatarra de acero compactada
Un montón de chatarra de acero compactada, lista para reciclar

La demanda de metales está estrechamente vinculada al crecimiento económico dado su uso en infraestructura, construcción, manufactura y bienes de consumo. Durante el siglo XX, la variedad de metales utilizados en la sociedad creció rápidamente. Hoy en día, el desarrollo de naciones importantes, como China e India, y los avances tecnológicos están impulsando una demanda cada vez mayor. El resultado es que las actividades mineras se están expandiendo y cada vez más reservas de metales del mundo están en uso en la superficie, en lugar de estar bajo tierra como reservas no utilizadas. Un ejemplo es el stock de cobre en uso . Entre 1932 y 1999, el cobre utilizado en Estados Unidos aumentó de 73 ga 238 g por persona. [70]

Los metales son inherentemente reciclables, por lo que, en principio, pueden usarse una y otra vez, minimizando estos impactos ambientales negativos y ahorrando energía. Por ejemplo, el 95% de la energía utilizada para fabricar aluminio a partir de mineral de bauxita se ahorra mediante el uso de material reciclado. [71]

A nivel mundial, el reciclaje de metales es generalmente bajo. En 2010, el Panel Internacional de Recursos , organizado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, publicó informes sobre las reservas de metales que existen en la sociedad [72] y sus tasas de reciclaje. [70] Los autores del informe observaron que las reservas de metales en la sociedad pueden servir como enormes minas en la superficie. Advirtieron que las tasas de reciclaje de algunos metales raros utilizados en aplicaciones como teléfonos móviles, paquetes de baterías para automóviles híbridos y celdas de combustible son tan bajas que, a menos que las futuras tasas de reciclaje al final de su vida útil se incrementen drásticamente, estos metales críticos dejarán de estar disponibles para uso en la tecnología moderna.

Historia

Prehistoria

El cobre, que se presenta en forma nativa, puede haber sido el primer metal descubierto debido a su apariencia, pesadez y maleabilidad distintivas. En la prehistoria también se descubrieron oro, plata, hierro (en forma de hierro meteórico) y plomo. Las formas de latón , una aleación de cobre y zinc obtenida fundiendo simultáneamente los minerales de estos metales, se originan en este período (aunque el zinc puro no se aisló hasta el siglo XIII). La maleabilidad de los metales sólidos llevó a los primeros intentos de fabricar adornos, herramientas y armas de metal. De vez en cuando se descubrió hierro meteórico que contenía níquel y, en algunos aspectos, era superior a cualquier acero industrial fabricado hasta la década de 1880, cuando los aceros aleados se hicieron prominentes. [73]

Antigüedad

Consulte el título
El Bronce de Artemision [n 6] que muestra a Poseidón o Zeus , c. 460 a. C., Museo Arqueológico Nacional , Atenas . La figura mide más de 2 m de altura.

El descubrimiento del bronce (una aleación de cobre con arsénico o estaño) permitió crear objetos metálicos que eran más duros y duraderos de lo que antes era posible. Las herramientas, armas, armaduras y materiales de construcción de bronce , como las tejas decorativas, eran más duros y duraderos que sus predecesores de piedra y cobre (" Calcolítico "). Inicialmente, el bronce se elaboraba a partir de cobre y arsénico (formando bronce con arsénico ) fundiendo minerales de cobre y arsénico mezclados de forma natural o artificial. [74] Los artefactos más antiguos conocidos hasta ahora provienen de la meseta iraní en el quinto milenio a.C. [75] Sólo más tarde se utilizó el estaño , convirtiéndose en el principal ingrediente del bronce sin cobre a finales del tercer milenio a.C. [76] El estaño puro fue aislado por primera vez en 1800 a. C. por trabajadores metalúrgicos chinos y japoneses.

Mercurio era conocido por los antiguos chinos e indios antes del año 2000 a. C. y se encontró en tumbas egipcias que datan del año 1500 a.

La producción de acero más antigua conocida, una aleación de hierro y carbono, se ve en piezas de hierro excavadas en un sitio arqueológico en Anatolia ( Kaman-Kalehöyük ) que tienen casi 4.000 años y datan del 1800 a.C. [77] [78]

Aproximadamente desde el año 500 a. C., los fabricantes de espadas de Toledo, España , fabricaban formas tempranas de acero aleado añadiendo un mineral llamado wolframita , que contenía tungsteno y manganeso, al mineral de hierro (y carbono). El acero toledano resultante llamó la atención de Roma cuando Aníbal lo utilizó en las Guerras Púnicas . Pronto se convirtió en la base del armamento de las legiones romanas; tales espadas eran "de composición más fuerte que cualquier espada existente y, debido a que... [no] se rompían, proporcionaban una ventaja psicológica al soldado romano". [79]

En la América precolombina , los objetos hechos de tumbaga , una aleación de cobre y oro, comenzaron a producirse en Panamá y Costa Rica entre el 300 y el 500 d.C. Eran comunes las pequeñas esculturas de metal y una amplia gama de adornos de tumbaga (y oro) constituían las insignias habituales de las personas de alto estatus.

Aproximadamente al mismo tiempo, los indígenas ecuatorianos combinaban oro con una aleación de platino natural que contenía pequeñas cantidades de paladio, rodio e iridio, para producir miniaturas y máscaras de una aleación de oro blanco y platino. Los trabajadores del metal calentaron oro con granos de aleación de platino hasta que el oro se derritió. Después de enfriar, el conglomerado resultante fue martillado y recalentado repetidamente hasta que se volvió homogéneo, equivalente a fundir todos los metales (alcanzar los puntos de fusión de los metales del grupo del platino en cuestión estaba más allá de la tecnología de la época). [80] [n.7]

Edad media

El oro es para la amante, la plata para la doncella,
el cobre para el artesano astuto en su oficio.
"¡Bien!" dijo el Barón, sentado en su salón,
"Pero el Hierro, el Hierro Frío, es el amo de todos ellos".

de Cold Iron de Rudyard Kipling [81]

Los alquimistas árabes y medievales creían que todos los metales y la materia estaban compuestos por el principio de azufre, padre de todos los metales y portador de la propiedad combustible, y del principio de mercurio, madre de todos los metales [n 8] y portador de la liquidez, propiedades de fusibilidad y volatilidad. Estos principios no eran necesariamente las sustancias comunes que se encuentran en la mayoría de los laboratorios: azufre y mercurio . 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. . [n 9]

Se conocieron el arsénico, el zinc, el antimonio y el bismuto, aunque al principio se les llamó semimetales o metales bastardos debido a su inmaleabilidad. Se cree que Albertus Magnus fue 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, fue aislado en la India hacia el año 1300 d.C. La primera descripción de un procedimiento para aislar antimonio se encuentra en el libro De la pirotechnia de 1540 de Vannoccio Biringuccio . El bismuto fue descrito por Agricola en De Natura Fossilium (c. 1546); En los primeros tiempos se había confundido con el estaño y el plomo debido a su parecido con esos elementos.

El Renacimiento

La portada de De re Metallica, que está escrita en latín.
De re metálico , 1555
Consulte el título
Cristales de platino
Un disco de uranio sostenido por manos enguantadas.
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.
Cerio ultrapuro bajo argón
Cerio ultrapuro bajo argón, 1,5 g

El primer texto sistemático sobre las artes de la minería y la metalurgia fue De la Pirotechnia (1540) de Vannoccio Biringuccio , que trata del examen, fusión y trabajo de los metales.

Dieciséis años más tarde, Georgius Agricola publicó De Re Metallica en 1556, un relato de la profesión de la minería, la metalurgia y las artes y ciencias accesorias, un extenso tratado sobre la industria química durante el siglo XVI.

Dio la siguiente descripción de un metal en su De Natura Fossilium (1546):

El metal es un cuerpo mineral, por naturaleza líquido o algo duro. Este último puede derretirse con el calor del fuego, pero cuando se ha enfriado nuevamente y ha perdido todo el calor, vuelve a endurecerse y recobra su forma propia. En este sentido se diferencia de la piedra que se derrite en el fuego, porque aunque esta última recupera su dureza, pierde su forma y propiedades prístinas.

Tradicionalmente existen seis tipos diferentes de metales: oro, plata, cobre, hierro, estaño y plomo. Realmente 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 estibium, cuando se funde en el crisol y se refina, tiene tanto derecho a ser considerado un metal adecuado como el que los escritores conceden al plomo. Si al fundirlo se le añade una cierta porción de estaño, se produce una aleación de librero de la que se fabrica el tipo que utilizan quienes 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 electro ni el estaño son en sí mismos un verdadero metal, sino más bien una aleación de dos metales. Electrum es una aleación de oro y plata, Stannum de plomo y plata. Y, sin embargo, si se separa la plata del electro, queda oro y no electro; Si se le quita la plata a Stannum, entonces queda el plomo y no Stannum.

Sin embargo, no se puede determinar con seguridad si el latón se encuentra como metal nativo o no. Sólo conocemos el latón artificial, que consiste en cobre teñido con el color del mineral calamina . Y, sin embargo, si hubiera que desenterrar alguno, sería un metal adecuado. El cobre blanco y negro parece ser diferente del rojo.

Por tanto, el metal es por naturaleza o sólido, como he dicho, o fluido, como en el caso único del mercurio.

Pero basta ya de las clases simples. [82]

El platino, el tercer metal precioso después del oro y la plata, fue descubierto en Ecuador entre 1736 y 1744 por el astrónomo español Antonio de Ulloa y su colega el matemático Jorge Juan y Santacilia. Ulloa fue la primera persona en escribir una descripción científica del metal, en 1748.

En 1789, el químico alemán Martin Heinrich Klaproth aisló un óxido de uranio, que pensó que era el metal mismo. Posteriormente, Klaproth fue acreditado como el descubridor del uranio. No fue hasta 1841 que el químico francés Eugène-Melchior Péligot preparó la primera muestra de uranio metálico. Posteriormente, Henri Becquerel descubrió la radiactividad en 1896 utilizando uranio.

En la década de 1790, Joseph Priestley y el químico holandés Martinus van Marum observaron el efecto de las superficies metálicas en la deshidrogenación del alcohol, un desarrollo que posteriormente condujo, en 1831, a la síntesis a escala industrial de ácido sulfúrico utilizando un catalizador de platino.

En 1803, el cerio fue el primero de los metales lantánidos descubierto, en Bastnäs, Suecia, por Jöns Jakob Berzelius y Wilhelm Hisinger, e independientemente por Martin Heinrich Klaproth en Alemania. Los metales lantánidos se consideraban rarezas hasta la década de 1960, cuando se desarrollaron métodos para separarlos entre sí de manera más eficiente. Posteriormente han encontrado usos en teléfonos móviles, imanes, láseres, iluminación, baterías, convertidores catalíticos y en otras aplicaciones que permiten tecnologías modernas.

Otros metales descubiertos y preparados durante esta época fueron el cobalto, níquel, manganeso, molibdeno, tungsteno y cromo; y algunos de los metales del grupo del platino , paladio, osmio, iridio y rodio.

metales ligeros

Todos los metales elementales descubiertos antes de 1809 tenían densidades relativamente altas; su pesadez se consideraba un criterio distintivo. A partir de 1809 se aislaron metales ligeros como el sodio, el potasio y el estroncio. Sus bajas densidades desafiaron la sabiduría convencional sobre la naturaleza de los metales. Sin embargo, se comportaban químicamente como metales y posteriormente fueron reconocidos como tales.

El aluminio fue descubierto en 1824 pero no fue hasta 1886 que se desarrolló un método de producción industrial a gran escala. Los precios del aluminio bajaron y el aluminio se utilizó ampliamente en joyería, artículos cotidianos, monturas de gafas, instrumentos ópticos, vajillas y papel de aluminio en la década de 1890 y principios del siglo XX. La capacidad del aluminio para formar aleaciones duras pero ligeras con otros metales le proporcionó al metal muchos usos en ese momento. Durante la Primera Guerra Mundial, los principales gobiernos exigieron grandes envíos de aluminio para estructuras de aviones ligeras y resistentes.

Si bien el titanio metálico puro (99,9%) se preparó por primera vez en 1910, no se utilizó fuera del laboratorio hasta 1932. En las décadas de 1950 y 1960, la Unión Soviética fue pionera en el uso de titanio en aplicaciones militares y submarinas como parte de programas relacionados con el Frío. Guerra. A principios de la década de 1950, el titanio empezó a utilizarse en la aviación militar, particularmente en aviones a reacción de alto rendimiento, comenzando con aviones como el F-100 Super Sabre y los Lockheed A-12 y SR-71 .

El escandio metálico se produjo por primera vez en 1937. La primera libra de metal escandio con una pureza del 99% se produjo en 1960. La producción de aleaciones de aluminio y escandio comenzó en 1971 tras una patente estadounidense. En la URSS también se desarrollaron aleaciones de aluminio y escandio.

La era del acero

El acero al rojo vivo brota como agua de un horno eléctrico de 35 toneladas, en Allegheny Ludlum Steel Corporation, en Brackenridge , Pensilvania .

La era moderna en la fabricación de acero comenzó con la introducción del proceso Bessemer de Henry Bessemer en 1855, cuya materia prima era el arrabio. Su método le permitió producir acero en grandes cantidades a bajo precio, por lo que el acero dulce pasó a utilizarse para la mayoría de los fines para los que antes se utilizaba el hierro forjado. El proceso Gilchrist-Thomas (o proceso Bessemer básico ) fue una mejora del proceso Bessemer, realizado recubriendo el convertidor con un material básico para eliminar el fósforo.

Debido a su alta resistencia a la tracción y su bajo costo, el acero llegó a ser un componente importante utilizado en edificios , infraestructura , herramientas , barcos , automóviles , máquinas , electrodomésticos y armas .

En 1872, los ingleses Clark y Woods patentaron una aleación que hoy sería considerada un acero inoxidable . La resistencia a la corrosión de las aleaciones de hierro y cromo fue reconocida en 1821 por el metalúrgico francés Pierre Berthier . Observó su resistencia al ataque de algunos ácidos y sugirió su uso en cuchillería. Los metalúrgicos del siglo XIX no pudieron producir la combinación de bajo contenido de carbono y alto contenido de cromo que se encuentra en la mayoría de los aceros inoxidables modernos, y las aleaciones con alto contenido de cromo que podían producir eran demasiado frágiles para ser prácticas. No fue hasta 1912 que se produjo la industrialización de las aleaciones de acero inoxidable en Inglaterra, Alemania y Estados Unidos.

Los últimos elementos metálicos estables.

En 1900 , quedaban por descubrir tres metales con números atómicos inferiores al plomo (#82), el metal estable más pesado: los elementos 71, 72, 75.

Von Welsbach , en 1906, demostró que el antiguo iterbio también contenía un nuevo elemento (#71), al que llamó casiopeio . Urbain lo demostró al mismo tiempo, pero sus muestras eran muy impuras y sólo contenían trazas del nuevo elemento. A pesar de esto, se adoptó el nombre elegido de lutecio .

En 1908, Ogawa encontró el elemento 75 en la torianita, pero lo asignó como elemento 43 en lugar de 75 y lo llamó nipponio . En 1925, Walter Noddack, Ida Eva Tacke y Otto Berg anunciaron su separación de la gadolinita y le dieron el nombre actual, renio .

Georges Urbain afirmó haber encontrado el elemento 72 en residuos de tierras raras, mientras que Vladimir Vernadsky lo encontró de forma independiente en ortita. Ninguna afirmación fue confirmada debido a la Primera Guerra Mundial, y tampoco pudo confirmarse más tarde, ya que la química que informaron no coincide con la que ahora se conoce para el hafnio . Después de la guerra, en 1922, Coster y Hevesy lo encontraron mediante análisis espectroscópicos de rayos X en circón noruego. Así, el hafnio fue el último elemento estable descubierto, aunque el renio fue el último en ser reconocido correctamente.

Al final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos habían sintetizado cuatro elementos posturanio, todos los cuales son metales radiactivos (inestables): neptunio (en 1940), plutonio (1940-41) y curio y americio (1944), que representan elementos 93. a 96. Los dos primeros finalmente se encontraron también en la naturaleza. El curio y el americio fueron subproductos del proyecto Manhattan, que produjo la primera bomba atómica del mundo en 1945. La bomba se basó en la fisión nuclear del uranio, un metal que se pensó que había sido descubierto casi 150 años antes.

Acontecimientos posteriores a la Segunda Guerra Mundial

superaleaciones

Álabes de turbina de superaleación con tratamiento térmico

Poco después de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron superaleaciones compuestas de combinaciones de Fe, Ni, Co y Cr, y cantidades menores de W, Mo, Ta, Nb, Ti y Al para su uso en motores de alto rendimiento, que operaban a temperaturas elevadas (por encima de 650 °C (1200 °F)). Conservan la mayor parte de su resistencia en estas condiciones, durante períodos prolongados, y combinan una buena ductilidad a baja temperatura con resistencia a la corrosión u oxidación. Actualmente, las superaleaciones se pueden encontrar en una amplia gama de aplicaciones, incluidas turbinas terrestres, marítimas y aeroespaciales, y plantas químicas y petroleras.

Metales transcurio

El exitoso desarrollo de la bomba atómica al final de la Segunda Guerra Mundial desató nuevos esfuerzos para sintetizar nuevos elementos, casi todos los cuales son, o se espera que sean, metales, y todos ellos radiactivos. No fue hasta 1949 que el elemento 97 ( berkelio ), siguiente después del elemento 96 ( curio ), se sintetizó disparando partículas alfa contra un objetivo de americio. En 1952, se encontró el elemento 100 ( Fermio ) entre los restos de la explosión de la primera bomba de hidrógeno; El hidrógeno, un no metal, había sido identificado como elemento casi 200 años antes. Desde 1952 se sintetizan los elementos 101 ( Mendelevio ) a 118 ( Oganesson ).

Vasos metálicos a granel

Vidrio Metálico Vitreloy4

Un vidrio metálico (también conocido como metal amorfo o vítreo) es un material metálico sólido, generalmente una aleación, con una estructura desordenada a escala atómica. La mayoría de los metales puros y aleados, en su estado sólido, tienen átomos dispuestos en una estructura cristalina muy ordenada. Por el contrario, estos tienen una estructura similar al vidrio no cristalino. Pero a diferencia de los vidrios comunes, como los de ventanas, que suelen ser aislantes eléctricos, los metales amorfos tienen buena conductividad eléctrica. Los metales amorfos se producen de varias maneras, incluido el enfriamiento extremadamente rápido, la deposición física de vapor, la reacción en estado sólido, la irradiación de iones y la aleación mecánica. El primer vidrio metálico del que se tuvo noticia fue una aleación (Au 75 Si 25 ) producida en Caltech en 1960. Más recientemente, se han producido lotes de acero amorfo con tres veces más resistencia que las aleaciones de acero convencionales. Actualmente, las aplicaciones más importantes se basan en las propiedades magnéticas especiales de algunos vidrios metálicos ferromagnéticos. La baja pérdida de magnetización se utiliza en transformadores de alta eficiencia. Las etiquetas de identificación de control de robo y otros sistemas de vigilancia de artículos suelen utilizar cristales metálicos debido a estas propiedades magnéticas.

Aleaciones con memoria de forma

Una aleación con memoria de forma (SMA) es una aleación que "recuerda" su forma original y, cuando se deforma, vuelve a su forma predeformada cuando se calienta. Si bien el efecto de memoria de forma se observó por primera vez en 1932, en una aleación de Au-Cd, no fue hasta 1962, con el descubrimiento accidental del efecto en una aleación de Ni-Ti, que la investigación comenzó en serio, y otros diez años antes de que se comercializara. surgieron aplicaciones. Los SMA tienen aplicaciones en robótica y en las industrias automotriz, aeroespacial y biomédica. Existe otro tipo de SMA, llamado aleación ferromagnética con memoria de forma (FSMA), que cambia de forma bajo fuertes campos magnéticos. Estos materiales son interesantes porque la respuesta magnética tiende a ser más rápida y eficiente que las respuestas inducidas por la temperatura.

Aleaciones cuasicristalinas

Un dodecaedro regular metálico.
Un cuasicristal icosaédrico de Ho-Mg-Zn formado como un dodecaedro pentagonal , el dual del icosaedro

En 1984, el metalúrgico israelí Dan Shechtman encontró una aleación de aluminio y manganeso que tenía simetría quíntuple, en violación de la convención cristalográfica de la época que decía que las estructuras cristalinas sólo podían tener simetría dos, tres, cuatro o seis veces. Debido a las reservas sobre la reacción de la comunidad científica, tardó dos años en publicar los resultados por los que recibió el Premio Nobel de Química en 2011. Desde entonces, se han informado y confirmado cientos de cuasicristales. Existen en muchas aleaciones metálicas (y en algunos polímeros). Los cuasicristales se encuentran con mayor frecuencia en aleaciones de aluminio (Al-Li-Cu, Al-Mn-Si, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-V, etc.), pero También se conocen muchas otras composiciones (Cd-Yb, Ti-Zr-Ni, Zn-Mg-Ho, Zn-Mg-Sc, In-Ag-Yb, Pd-U-Si, etc.). Los cuasicristales efectivamente tienen celdas unitarias infinitamente grandes. La icosaedrita Al 63 Cu 24 Fe 13 , el primer cuasicristal encontrado en la naturaleza, se descubrió en 2009. La mayoría de los cuasicristales tienen propiedades similares a las de la cerámica, incluida una baja conductividad eléctrica (que se acerca a los valores observados en los aisladores) y una baja conductividad térmica, alta dureza, fragilidad y resistencia. a la corrosión y propiedades antiadherentes. Los cuasicristales se han utilizado para desarrollar aislamientos térmicos, LED, motores diésel y nuevos materiales que convierten el calor en electricidad. Nuevas aplicaciones pueden aprovechar el bajo coeficiente de fricción y la dureza de algunos materiales cuasicristalinos, por ejemplo incrustando partículas en plástico para fabricar engranajes de plástico fuertes, resistentes y de baja fricción. Otras aplicaciones potenciales incluyen absorbentes solares selectivos para conversión de energía, reflectores de amplia longitud de onda y aplicaciones de prótesis y reparación ósea donde se requiere biocompatibilidad, baja fricción y resistencia a la corrosión.

Aleaciones metálicas complejas

Las aleaciones metálicas complejas (CMA) son compuestos intermetálicos caracterizados por grandes celdas unitarias que comprenden desde decenas hasta miles de átomos; la presencia de grupos de átomos bien definidos (frecuentemente con simetría icosaédrica); y desorden parcial dentro de sus redes cristalinas. Están compuestos por dos o más elementos metálicos, a veces con metaloides o calcogenuros añadidos. Incluyen, por ejemplo, NaCd2, con 348 átomos de sodio y 768 átomos de cadmio en la celda unitaria. Linus Pauling intentó describir la estructura del NaCd 2 en 1923, pero no lo consiguió hasta 1955. Inicialmente llamados "cristales de células unitarias gigantes", el interés por los CMA, como se denominaron, no aumentó hasta 2002, con la publicación de un artículo titulado "Fases de aleación estructuralmente complejas", presentado en la 8ª Conferencia Internacional sobre Cuasicristales. Las posibles aplicaciones de los CMA incluyen aislamiento térmico; calefacción solar; refrigeradores magnéticos; utilizar el calor residual para generar electricidad; y revestimientos para álabes de turbinas en motores militares.

Aleaciones de alta entropía

Las aleaciones de alta entropía (HEA), como AlLiMgScTi, están compuestas de cantidades iguales o casi iguales de cinco o más metales. En comparación con las aleaciones convencionales con solo uno o dos metales base, los HEA tienen relaciones resistencia-peso considerablemente mejores, mayor resistencia a la tracción y mayor resistencia a la fractura, la corrosión y la oxidación. Aunque las HEA se describieron ya en 1981, no se desarrolló un interés significativo hasta la década de 2010; continúan siendo un foco de investigación en ciencia e ingeniería de materiales debido a sus propiedades deseables.

fase MAX

En una fase Max, M es un metal de transición temprano, A es un elemento del grupo A (principalmente del grupo IIIA e IVA, o grupos 13 y 14) y X es carbono o nitrógeno. Algunos ejemplos son Hf 2 SnC y Ti 4 AlN 3 . Estas aleaciones tienen alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia al choque térmico, tolerancia al daño, maquinabilidad, alta rigidez elástica y bajos coeficientes de expansión térmica. [83] Se pueden pulir hasta obtener un brillo metálico debido a sus excelentes conductividades eléctricas. Durante las pruebas mecánicas, se ha descubierto que los cilindros policristalinos de Ti 3 SiC 2 pueden comprimirse repetidamente a temperatura ambiente, hasta tensiones de 1 GPa, y recuperarse completamente al eliminar la carga. Algunas fases MAX también son altamente resistentes al ataque químico (por ejemplo, Ti 3 SiC 2 ) y a la oxidación a alta temperatura en el aire (Ti 2 AlC, Cr 2 AlC 2 y Ti 3 AlC 2 ). Las aplicaciones potenciales para las aleaciones de fase MAX incluyen: como refractarios resistentes, mecanizables y resistentes a los choques térmicos; elementos calefactores de alta temperatura; revestimientos para contactos eléctricos; y piezas resistentes a la irradiación de neutrones para aplicaciones nucleares.

Ver también


Nota

  1. ^ No se muestran los oligoelementos que tienen una abundancia igual o mucho menor que una parte por billón (a saber, Tc , Pm , Po , At , Ra , Ac , Pa , Np y Pu ).
  2. ^ En algunos casos, por ejemplo, en presencia de rayos gamma de alta energía o en un ambiente rico en hidrógeno a muy alta temperatura , los núcleos en cuestión pueden experimentar una pérdida de neutrones o una ganancia de protones, lo que resulta en la producción de isótopos deficientes en neutrones (comparativamente raros) . [63]
  3. ^ La eyección de materia cuando dos estrellas de neutrones chocan se atribuye a la interacción de sus fuerzas de marea , posible alteración de la corteza y calentamiento por choque (que es lo que sucede si pisas a fondo el acelerador de un automóvil cuando el motor está frío). [66]
  4. ^ El hierro, el cobalto, el níquel y el estaño también son siderófilos desde la perspectiva de toda la Tierra.
  5. ^ Otra función del hierro que facilita la vida es la de ser un componente clave de la hemoglobina , que permite el transporte de oxígeno desde los pulmones al resto del cuerpo.
  6. ^ El bronce es una aleación que consta principalmente de cobre, comúnmente con aproximadamente un 12% de estaño y, a menudo, con la adición de otros metales (como aluminio, manganeso, níquel o zinc) y, a veces, no metales o metaloides como arsénico, fósforo o silicio.
  7. ^ En Damasco, Siria, los herreros forjaban cuchillos y espadas con un patrón de superficie distintivo compuesto por patrones arremolinados de regiones grabadas con luz sobre un fondo casi negro. Estas hojas tenían habilidades de corte legendarias. El hierro que utilizaban los herreros procedía de la India y contenía uno o más elementos formadores de carburo, como V, Mo, Cr, Mn y Nb. Los análisis modernos de estas armas han demostrado que estos elementos apoyaron la formación catalítica de nanotubos de carbono, que a su vez promovieron la formación de nanocables de cementita (Fe 3 C). La maleabilidad de los nanotubos de carbono contrarrestó la naturaleza frágil de la cementita y dotó al acero resultante de una combinación única de resistencia y flexibilidad. El conocimiento sobre cómo fabricar lo que llegó a llamarse acero de Damasco se extinguió en el siglo XVIII, posiblemente debido al agotamiento de las fuentes de mineral con la combinación adecuada de impurezas. Las técnicas involucradas no fueron redescubiertas hasta 2009.
  8. ^ En la antigüedad, el plomo era considerado el padre de todos los metales.
  9. ^ Paracelso , un escritor renacentista alemán posterior , añadió el tercer principio de la sal, que tiene las propiedades no volátiles e incombustibles, en su doctrina tria prima . Estas teorías conservaron los cuatro elementos clásicos como base de la composición del azufre, el mercurio y la sal.

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Otras lecturas

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