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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 línea negra gruesa encierra los siete u ocho metales que se reconocen con más frecuencia. A veces, la plata no se reconoce como un metal noble debido a su mayor reactividad . [4]
* puede empañarse en 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 metálico que es generalmente resistente a la corrosión y que normalmente se encuentra en la naturaleza en su forma bruta . El oro , el platino y los demás metales del grupo del platino ( rutenio , rodio , paladio , osmio , iridio ) se clasifican con mayor frecuencia de esta manera. 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 menor o mayor. A veces se utiliza para los tres metales cobre , plata y oro que tienen bandas d rellenas , mientras que a menudo se utiliza principalmente para plata y oro cuando se habla de espectroscopia Raman de superficie mejorada que involucra nanopartículas metálicas . A veces se aplica de forma más amplia a cualquier elemento metálico o semimetálico que no reaccione con un ácido débil y emita 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.

Muchos de los metales nobles se utilizan en aleaciones para joyería o acuñación de monedas. En odontología , la plata no siempre se considera un metal noble porque está sujeta a corrosión cuando está presente en la boca. Todos los metales son importantes catalizadores heterogéneos .

Significado e historia

Si bien las listas de metales nobles pueden variar, tienden a agruparse en torno al oro y los seis metales del grupo del platino : rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino.

Además de la función de este término como sustantivo compuesto , existen circunstancias en las que noble se utiliza como adjetivo para el sustantivo metal . Una serie galvánica es una jerarquía de metales (u otros materiales conductores de electricidad, incluidos los compuestos y semimetales ) que va de noble a activo 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 en el caso del 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 distintos campos de estudio y aplicación.

Antes de que Mendeleev publicara en 1869 la primera tabla periódica (que finalmente fue ampliamente aceptada), Odling publicó una tabla en 1864 en la que los "metales nobles" rodio, rutenio, paladio, platino, iridio y osmio estaban agrupados juntos [7] y junto a la plata y el oro.

Propiedades

Abundancia de los 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 los elementos siderófilos (amantes del hierro) en la clasificación de elementos de Goldschmidt. Estos se han reducido al ser reubicados en zonas más profundas del núcleo de la Tierra . Su abundancia en los materiales de los meteoroides es relativamente mayor. El telurio y el selenio se han reducido 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 el 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 de forma natural en cantidades relativamente grandes. [ cita requerida ]

Resistencia a la corrosión

Los metales nobles tienden a ser resistentes a la oxidación y otras formas de corrosión, y esta resistencia a la corrosión suele considerarse una característica definitoria. A continuación se describen algunas excepciones.

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 , solo cuando está en presencia de oxígeno, mientras que el rodio debe estar en forma de pulverización fina. El paladio y la plata son solubles en ácido nítrico , mientras que la solubilidad de la plata en agua regia está limitada por la formación de 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 ajustarse a un metal específico", por ejemplo, oro, pero no paladio o platino. [11]

Electrónico

La expresión metal noble a veces se limita al cobre, la plata y el oro, ya que sus subcapas d completas pueden contribuir a su carácter noble. [12] También se sabe que hay contribuciones significativas de la facilidad con la que se superponen los estados de los electrones d con los orbitales de otros elementos, particularmente en el caso del oro. [13] Las contribuciones relativistas también son importantes, [14] y desempeñan un papel en las propiedades catalíticas del oro. [15]

Los elementos a la izquierda del oro y la plata tienen bandas d incompletamente llenas, lo que se cree que desempeña un papel en sus propiedades catalíticas. Una explicación común es el modelo de llenado de bandas d de Hammer y Jens Nørskov , [16] [17] donde se consideran las bandas d totales, no solo los estados desocupados.

Las propiedades de los plasmones de baja energía también son de cierta importancia, en particular las de las nanopartículas de plata y oro para la espectroscopia Raman de superficie mejorada , plasmones de superficie localizados y otras propiedades plasmónicas . [18] [19]

Electroquímica

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 potenciales negativos elevados, como el sodio o el potasio, se encenderán en el aire, formando los óxidos respectivos. 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, en cambio, son poco propensos a reaccionar con el oxígeno y, por esa razón (así como por su escasez), han sido valorados durante milenios y se han utilizado en joyería y monedas. [20]

La tabla adyacente enumera el potencial de reducción estándar en voltios; [21] 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; [22] los elementos que no están en esta tabla tienen un potencial estándar negativo o no son metales.

Se incluye la electronegatividad porque se considera que es "un factor importante de la nobleza y reactividad del metal". [3]

El deslustre negro que se observa comúnmente en la plata surge de su sensibilidad a los gases que contienen azufre, como el sulfuro de hidrógeno :

2 Ag + H 2 S + ⁠1/2⁠ O2 → Ag2S + H2O .​

Rayner-Canham [4] sostiene que "la plata es mucho más reactiva químicamente y tiene una composición química tan diferente que no debería considerarse un 'metal noble'". En odontología , la plata no se considera un metal noble debido a su tendencia a corroerse en el entorno bucal. [23]

Li et al. [24] abordan la relevancia de la entrada para el agua en el contexto de la corrosión galvánica. Tal proceso solo 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...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 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 e • − O
2= 4OH • )."

Se espera que los elementos superpesados ​​desde el hasio (elemento 108) hasta el livermorio (116) inclusive sean "metales parcialmente muy nobles"; las investigaciones químicas del hasio han establecido que se comporta como su congénere más ligero, el osmio, y las investigaciones preliminares del nihonio y el flerovio han sugerido, pero no establecido definitivamente, un comportamiento noble. [25] El comportamiento del copernicio parece parecerse en parte tanto a su congénere más ligero, el mercurio, como al gas noble radón . [26]

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”. [27]

Smith, escribiendo en 1946, continuó con el tema:

"No existe una línea divisoria clara [entre 'metales nobles' y 'metales básicos'], pero quizá la mejor definición de un metal noble es la de un metal cuyo óxido se descompone fácilmente a una temperatura inferior al rojo vivo". [n 3] [29]
"De ello se deduce que los metales nobles... tienen poca atracción por el oxígeno y, en consecuencia, no se oxidan ni se decoloran a temperaturas moderadas".

Esta nobleza se asocia principalmente con los valores relativamente altos de electronegatividad de los metales nobles, lo que resulta en un enlace covalente solo débilmente polar con el oxígeno. [3] La tabla enumera los puntos de fusión de los óxidos de los metales nobles y algunos de los de los metales no nobles, para los elementos en sus estados de oxidación más estables.

Propiedades catalíticas

Todos 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. [ cita requerida ]

El oro tiene muchas aplicaciones industriales; se utiliza como catalizador en la hidrogenación y en la reacción de desplazamiento del gas agua . [ cita requerida ]

Véase también

Notas

  1. ^ El óxido de paladio PdO se puede reducir a paladio metálico exponiéndolo al hidrógeno en condiciones ambientales [10]
  2. ^ Ag 4 O 4 es un compuesto de plata con estado de oxidación mixto en el estado de oxidación de 1 y 3.
  3. ^ El calor rojo incipiente corresponde a 525 °C [28]

Referencias

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Lectura adicional

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