Un metal (del griego antiguo μέταλλον ( métallon ) 'mina, cantera, metal') es un material que, cuando está recién preparado, pulido o fracturado, muestra una apariencia brillante y conduce relativamente bien la electricidad y el calor . Los metales suelen ser dúctiles (pueden transformarse en alambres) y maleables (pueden martillarse hasta formar láminas delgadas). Estas propiedades son el resultado del enlace metálico entre los átomos o moléculas del metal.
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 . [1]
En física, generalmente se considera metal a cualquier sustancia capaz de conducir electricidad a una temperatura del cero absoluto . [2] Muchos elementos y compuestos que normalmente no se clasifican como metales se vuelven metálicos bajo altas presiones. Por ejemplo, el no metal yodo se convierte gradualmente en metal a una presión de entre 40 y 170 mil veces la presión atmosférica . De la misma manera, algunos materiales considerados metales pueden convertirse en no metales. El sodio , por ejemplo, se convierte en no metal a una presión de poco menos de dos millones de veces la presión atmosférica, aunque se espera que a presiones aún más altas vuelva a convertirse en metal.
En química, dos elementos que de otro modo calificarían (en física) como metales frágiles ( arsénico y antimonio ) comúnmente se reconocen como metaloides debido a su química (predominantemente no metálicos para el arsénico y equilibrado entre metalicidad y no metalicidad para el antimonio). Alrededor de 95 de los 118 elementos de la tabla periódica son metales (o es probable que lo sean). El número es inexacto ya que los límites entre metales, no metales y metaloides fluctúan ligeramente debido a la falta de definiciones universalmente aceptadas de las categorías involucradas.
En astrofísica, el término "metal" se utiliza de forma más amplia para referirse a todos los elementos químicos de una estrella que son más pesados que el helio , y no sólo a los metales tradicionales. 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 , todos los cuales son estrictamente no metales en química. Una estrella fusiona átomos más ligeros, principalmente hidrógeno y helio, en átomos más pesados a lo largo de su vida. Usada en ese sentido, la metalicidad de un objeto astronómico es la proporción de su materia compuesta por elementos químicos más pesados. [3] [4]
Los metales, como elementos químicos, constituyen el 25% de la corteza terrestre y están presentes en muchos aspectos de la vida moderna. 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. [5]
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.
Los metales son brillantes y lustrosos , al menos cuando están recién preparados, 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.
El estado sólido o líquido de los metales se origina en gran medida en la capacidad de los átomos metálicos involucrados de perder fácilmente los electrones de su capa externa. En términos generales, las fuerzas que mantienen en su lugar los electrones de la capa exterior de un átomo individual son más débiles que las fuerzas de atracción sobre los mismos electrones que surgen de las interacciones entre los átomos del metal sólido o líquido. Los electrones involucrados se deslocalizan y la estructura atómica de un metal puede visualizarse efectivamente como una colección de átomos incrustados en una nube de electrones relativamente móviles. Este tipo de interacción se llama enlace metálico . [6] La fuerza de los enlaces metálicos para diferentes metales elementales alcanza un máximo alrededor del centro de la serie de metales de transición , ya que estos elementos tienen una gran cantidad de electrones deslocalizados. [n 1]
Aunque la mayoría de los metales elementales tienen densidades más altas que la mayoría de los no metales , [6] 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 las predicciones sobre sus densidades varían ampliamente en la literatura y, en cualquier caso, sus isótopos conocidos son demasiado inestables para que sea posible una producción en masa). El magnesio, el aluminio y el titanio son metales ligeros de gran 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 . Por tanto, una bola de hierro pesaría aproximadamente tanto como tres bolas de aluminio del mismo volumen.
Los metales suelen ser maleables y dúctiles, y se deforman bajo tensión sin escindirse . [6] Se cree que la naturaleza no direccional de los enlaces metálicos contribuye significativamente a la ductilidad de la mayoría de los sólidos metálicos. Por el contrario, en un compuesto iónico como la sal de mesa, cuando los planos de un enlace iónico se deslizan uno sobre el otro, el cambio de ubicación resultante acerca los iones de la misma carga, lo que provoca la escisión del cristal. Tal cambio no se observa en un cristal unido covalentemente , como un diamante, donde se produce fractura y fragmentación del cristal. [7] La deformación elástica reversible en metales puede describirse mediante la ley de Hooke para fuerzas restauradoras, donde la tensión es linealmente proporcional a la deformación .
El calor o fuerzas mayores que el límite elástico de un metal pueden causar una deformación permanente (irreversible), conocida como deformación plástica o plasticidad . Una fuerza aplicada puede ser una fuerza de tracción (tracción), una fuerza de compresión (empuje) o una fuerza de corte , flexión o torsión (torsión). Un cambio de temperatura puede afectar el movimiento o desplazamiento 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 . Puede producirse deslizamiento interno , fluencia y fatiga del metal .
Los átomos de las sustancias metálicas suelen estar dispuestos en una de las tres estructuras cristalinas comunes : 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. [8]
La celda unitaria de cada estructura cristalina es el grupo más pequeño de átomos que tiene la simetría general del cristal y a partir del cual se puede construir toda la red cristalina mediante repetición en tres dimensiones. En el caso de la estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo que se muestra arriba, la celda unitaria está formada por el átomo central más un octavo de cada uno de los ocho átomos de las esquinas.
La estructura electrónica de los metales significa que son relativamente buenos conductores de electricidad . Los electrones en la materia sólo pueden tener niveles de energía fijos y no variables, y en un metal los niveles de energía de los electrones en su nube de electrones corresponden, al menos hasta cierto punto, a los niveles de energía en los que puede ocurrir la conducción eléctrica. En un semiconductor como el silicio o un no metal como el azufre existe una brecha de energía entre los electrones de la sustancia y el nivel de energía en el que puede ocurrir la conducción eléctrica. En consecuencia, los semiconductores y los no metales son conductores relativamente malos.
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 un rango de temperatura de entre -175 y +125 °C.
Los metales son relativamente buenos conductores del calor . Los electrones en la nube de electrones de un metal son muy móviles y pueden transmitir fácilmente energía vibratoria inducida por el calor.
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 a partir del modelo de electrones libres . 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 matemáticos, siendo el más simple el modelo del electrón casi libre .
Los metales suelen tener tendencia a formar cationes mediante pérdida de electrones. [6] 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 con el paso de los años). Algunos otros, como el paladio , el platino y el oro , no reaccionan en absoluto con la atmósfera; El oro incluso forma compuestos cuando gana un electrón (auridas, p. ej. auridas de cesio ). Los óxidos de los metales suelen ser básicos , a diferencia de los de los no metales , que son ácidos o neutros. Las excepciones son en gran medida los óxidos con estados de oxidación muy altos , como CrO 3 , Mn 2 O 7 y OsO 4 , que tienen reacciones estrictamente ácidas; y óxidos de metales menos electropositivos como BeO, Al 2 O 3 y PbO, que pueden presentar propiedades tanto básicas como ácidas. Estos se denominan óxidos anfóteros .
Pintar , anodizar o enchapar metales son buenas formas de prevenir su corrosión . Sin embargo, se debe elegir un metal más reactivo en la serie electroquímica para el recubrimiento, especialmente cuando se espera que el recubrimiento se descascarille. El agua y los dos metales forman una celda electroquímica y, si el recubrimiento es menos reactivo que el metal subyacente, el recubrimiento en realidad promueve la corrosión.
Los elementos que forman estructuras metálicas en condiciones normales se muestran en amarillo en la siguiente tabla periódica. Los elementos restantes forman estructuras covalentes gigantes (azul claro), estructuras covalentes moleculares (azul oscuro) o permanecen como átomos individuales (violeta). [9] 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, [10] aunque existen algunas dudas sobre el oganesson (Og). [11]
MetálicoRed covalentecovalente molecularátomos individualesDesconocidoEl color de fondo muestra el enlace de sustancias simples en la tabla periódica . Si hay varios, se considera el alótropo más estable.
La situación cambia con la presión: a presiones extremadamente altas, se espera que todos los elementos (y de hecho todas las sustancias) se metalicen. [10] El arsénico (As) tiene un alótropo metálico estable y un alótropo semiconductor metaestable en condiciones estándar.
Los elementos cercanos al límite entre metales y no metales suelen tener un comportamiento químico intermedio. Como tal, a menudo se utiliza una categoría de metaloides para dichos elementos intermedios, pero no hay consenso en la literatura sobre qué elementos deberían calificar. [n 2]
Una aleación es una sustancia que tiene propiedades metálicas y que está compuesta por dos o más elementos , uno de los cuales al menos es un metal. Una aleación puede tener una composición variable o fija. Por ejemplo, el oro y la plata forman una aleación en la que las proporciones de oro o plata se pueden ajustar libremente; 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 ).
La mayoría de los metales puros son demasiado blandos, quebradizos o químicamente reactivos para su uso práctico. La combinación de diferentes proporciones de metales como aleaciones modifica las propiedades de los metales puros para producir características deseables. El objetivo de fabricar aleaciones generalmente es hacerlas menos quebradizas, más duras, resistentes a la corrosión o que tengan 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.
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 . [ cita necesaria ] Estos materiales son ideales para situaciones en las que 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.
Los metales se pueden clasificar según sus 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 ; y metales comunes , nobles y preciosos . La tabla de elementos metálicos de esta sección clasifica los metales elementales según sus propiedades químicas en metales alcalinos y alcalinotérreos ; metales de transición y post-transición ; y lantánidos y actínidos . Otras categorías son posibles, dependiendo de los criterios de inclusión. Por ejemplo, los metales ferromagnéticos (aquellos que son magnéticos a temperatura ambiente) son el hierro, el cobalto y el níquel.
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.
Si bien casi todos los metales son maleables o dúctiles, algunos (berilio, cromo, manganeso, galio y bismuto) son frágiles. [12] 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.
En ciencia de materiales, metalurgia e ingeniería, un metal refractario es un metal extraordinariamente 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. Todos ellos tienen puntos de fusión superiores a 2000 °C y una alta dureza a temperatura ambiente.
Un metal blanco es cualquier variedad de metales de color blanco (o sus aleaciones) con puntos de fusión relativamente bajos. Dichos metales incluyen zinc, cadmio, estaño, antimonio (aquí se cuenta como metal), plomo y bismuto, algunos de los cuales son bastante tóxicos. 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, pero que, no obstante, se entiende que son plata y tienen un precio acorde.
Un metal pesado es cualquier metal o metaloide relativamente denso . [13] 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.
En química , el término metal base se utiliza informalmente para referirse 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.
El término metal noble se utiliza comúnmente en oposición a metal base . Los metales nobles son resistentes a la corrosión o la oxidación , [14] 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. [15] Un antiguo objetivo de los alquimistas era la transmutación de metales básicos en metales preciosos, incluidos metales acuñables como la plata y el oro. La mayoría de las monedas actuales están hechas de metales comunes con un valor intrínseco bajo ; En el pasado, las monedas con frecuencia derivaban su valor principalmente de su contenido de metales preciosos .
Químicamente, los metales preciosos (al igual que los metales nobles) son menos reactivos que la mayoría de los elementos, tienen mucho brillo y una alta conductividad eléctrica. Históricamente, los metales preciosos fueron importantes como moneda , pero ahora se los considera principalmente como bienes de inversión e industriales . El oro , la plata , el platino y el paladio tienen cada uno un código de moneda ISO 4217 . Los metales preciosos más conocidos son el oro y la plata. Si bien ambos tienen usos industriales, son más conocidos por sus usos en arte , joyería y acuñación . Otros metales preciosos incluyen los metales del grupo del platino : rutenio , rodio , paladio, osmio , iridio y platino, de los cuales el platino es el más comercializado.
La demanda de metales preciosos está impulsada no solo por su uso práctico, sino también por su papel como inversiones y depósito de valor . [16] El paladio y el platino, en el otoño de 2018, estaban valorados en aproximadamente tres cuartas partes del precio del oro. La plata es sustancialmente menos costosa que estos metales, pero a menudo se la considera tradicionalmente un metal precioso debido a su papel en la acuñación y la joyería.
En electroquímica, un metal de válvula es un metal por el que pasa corriente en una sola dirección.
Los metales hasta las proximidades del hierro (en la tabla periódica) se producen 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. [17]
Los metales 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. [18] 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 , [19] 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. [17] [20] [n 4] 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. [22]
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 , [23] [n 5] , lo que aumenta 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 . [25]
La corteza terrestre está compuesta aproximadamente por un 25% de metales en peso, de los cuales el 80% son metales ligeros como el sodio, el magnesio y el aluminio. Los no metales (~75%) constituyen el resto de la corteza. 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 metales se encuentran principalmente como litófilos (amantes de las rocas) o calcófilos (amantes de los minerales). Los metales 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 metales calcófilos son principalmente los elementos del bloque d menos reactivos y los metales del bloque p del período 4 a 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 metales, el oro se hundió en el núcleo debido a su tendencia a formar aleaciones metálicas de alta densidad. En consecuencia, es un metal relativamente raro. Algunos otros metales (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 metales se encuentran en la corteza, en pequeñas cantidades, principalmente como calcófilos (menos en su forma nativa). [n 6]
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 7] 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).
Los metales a menudo se extraen de la Tierra mediante la extracción de minerales que son fuentes ricas en los elementos necesarios, como la bauxita . El mineral se localiza 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 metales , 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. Los métodos utilizados dependen del metal y sus contaminantes.
Cuando un mineral metálico es un compuesto iónico de ese metal y un no metal, 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 . [26] [27]
Los minerales de sulfuro no se reducen directamente al metal, sino que se tuestan al aire para convertirlos en óxidos.
Los metales están presentes en casi todos los aspectos de la vida moderna. El hierro, un metal pesado , puede ser el más común ya que representa el 90% de todos los metales refinados; El aluminio, un metal ligero , es el siguiente metal más refinado. El hierro puro puede ser el elemento metálico más barato de todos, con un costo de alrededor de 0,07 dólares EE.UU. por gramo. Sus minerales están muy extendidos; es fácil de refinar ; y la tecnología involucrada se ha desarrollado durante cientos de años. El hierro fundido es incluso más barato, a una fracción de 0,01 dólares EE.UU. por gramo, porque no es necesaria una purificación posterior. El platino, a un costo de alrededor de 27 dólares por gramo, puede ser el más omnipresente dado su altísimo punto de fusión, resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica y durabilidad. Se dice que se encuentra o se utiliza para producir el 20% de todos los bienes de consumo. Es probable que el polonio sea el metal más caro que se comercializa, a un costo teórico de alrededor de 100.000.000 de dólares por gramo, [ cita necesaria ] debido a su escasez y producción a microescala.
Algunos metales y aleaciones metálicas poseen una alta resistencia estructural por unidad de masa, lo que los convierte en materiales útiles para transportar grandes cargas o resistir daños por impacto. Las aleaciones metálicas se pueden diseñar para que tengan una alta resistencia al corte, al torque y a la deformación. Sin embargo, el mismo metal también puede ser vulnerable a daños por fatiga debido al uso repetido o a una falla repentina por tensión cuando se excede una capacidad de carga. La fuerza y resistencia de los metales ha llevado a su uso frecuente en la construcción de puentes y edificios de gran altura, así como en la mayoría de los vehículos, muchos electrodomésticos, herramientas, tuberías y vías de ferrocarril.
Los metales son buenos conductores, lo que los hace valiosos en aparatos eléctricos y para transportar corriente eléctrica a distancia con poca pérdida de energía. Las redes eléctricas dependen de cables metálicos para distribuir electricidad. Los sistemas eléctricos domésticos, en su mayor parte, están cableados con alambre de cobre por sus buenas propiedades conductoras.
La conductividad térmica de los metales es útil para que los contenedores calienten materiales sobre una llama. Los metales también se utilizan en los disipadores de calor para proteger los equipos sensibles del sobrecalentamiento.
La alta reflectividad de algunos metales permite su uso en espejos, incluidos instrumentos astronómicos de precisión, y contribuye a la estética de la joyería metálica.
Algunos metales tienen usos especializados; El mercurio es un líquido a temperatura ambiente y se utiliza en interruptores para completar un circuito cuando fluye sobre los contactos del interruptor. Los metales radiactivos como el uranio y el plutonio son combustible para las centrales nucleares , que producen energía mediante fisión nuclear . Las aleaciones con memoria de forma se utilizan para aplicaciones como tuberías, sujetadores y stents vasculares .
Los metales pueden estar dopados con moléculas extrañas: orgánicas, inorgánicas, biológicas y polímeros. Este dopaje confiere al metal nuevas propiedades que son inducidas por las moléculas invitadas. Se han desarrollado aplicaciones en catálisis, medicina, celdas electroquímicas, corrosión y más. [28]
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. [29]
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. [30]
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 [31] y sus tasas de reciclaje. [29] 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.
Se ha revisado el papel de los elementos metálicos en la evolución de la bioquímica celular, incluyendo una sección detallada sobre el papel del calcio en las enzimas redox. [32]
Uno o más de los elementos hierro , cobalto , níquel , cobre y zinc son esenciales para todas las formas superiores de vida. El cobalto es un componente esencial de la vitamina B12 . Los compuestos de todos los demás elementos de transición y post-transición son tóxicos en mayor o menor medida, con pocas excepciones como ciertos compuestos de antimonio y estaño . Las fuentes potenciales de envenenamiento por metales incluyen la minería , los relaves , los desechos industriales , los escurrimientos agrícolas , la exposición ocupacional , las pinturas y la madera tratada .
El cobre, que se presenta en forma nativa, puede haber sido el primer metal descubierto debido a su apariencia, pesadez y maleabilidad distintivas en comparación con otras piedras o guijarros. 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. [33]
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 los azulejos decorativos, 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. [34] Los artefactos más antiguos conocidos hasta ahora provienen de la meseta iraní en el quinto milenio a.C. [35] Sólo más tarde se utilizó el estaño , convirtiéndose en el principal ingrediente del bronce sin cobre a finales del tercer milenio a.C. [36] 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 ) y tiene casi 4.000 años de antigüedad y data del 1800 a.C. [37] [38]
Desde aproximadamente 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". [39]
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 compuestas de una aleación de oro blanco y platino. Los trabajadores del metal calentaron oro con granos de la aleación de platino hasta que el oro se derritió, momento en el que los metales del grupo del platino quedaron unidos dentro del oro. Después de enfriar, el conglomerado resultante fue martillado y recalentado repetidamente hasta que se volvió tan homogéneo como si todos los metales en cuestión se hubieran fundido juntos (alcanzar los puntos de fusión de los metales del grupo del platino en cuestión estaba más allá de la tecnología de la época). [40] [n.9]
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 [41]
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 10] 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 11]
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. Es posible que los cuatro se hayan utilizado incidentalmente en épocas anteriores sin reconocer su naturaleza. 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 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 después, Georgius Agricola publicó De Re Metallica en 1556, un relato claro y completo de la profesión de la minería, la metalurgia y las artes y ciencias accesorias, además de ser considerado el mayor 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 estibio , 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 lo 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. [42]
El platino, el tercer metal precioso después del oro y la plata, fue descubierto en Ecuador durante el período 1736 a 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 la acción transformadora de las superficies metálicas en la deshidrogenación del alcohol, un desarrollo que posteriormente condujo, en 1831, a la síntesis a escala industrial 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 fueron considerados en gran medida como 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.
Todos los metales descubiertos hasta 1809 tenían densidades relativamente altas; su pesadez se consideraba un criterio singularmente 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. El metal más común que se utiliza hoy en día para la transmisión de energía eléctrica es el acero conductor de aluminio reforzado . También se utiliza mucho el conductor de aleación de aluminio. Se utiliza aluminio porque tiene aproximadamente la mitad del peso de un cable de cobre de resistencia comparable (aunque de mayor diámetro debido a su menor conductividad específica ), además de ser más barato. El cobre era más popular en el pasado y todavía se utiliza, especialmente para voltajes más bajos y para conexión a tierra.
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 partir de principios de la década de 1950, el titanio se empezó a utilizar ampliamente 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 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 se consideraría 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.
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.
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. Las superaleaciones ahora se pueden encontrar en una amplia gama de aplicaciones, incluidas turbinas terrestres, marítimas y aeroespaciales, y plantas químicas y petroleras.
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).
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. Los metales amorfos 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.
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 de particular interés ya que la respuesta magnética tiende a ser más rápida y eficiente que las respuestas inducidas por la temperatura.
En 1984, el químico israelí Dan Shechtman encontró una aleación de aluminio y manganeso que tenía simetría quíntuple, violando la convención cristalográfica de la época que decía que las estructuras cristalinas sólo podían tener simetría dos, tres, cuatro o seis veces. Por temor a 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 reportado 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 (se aproxima 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.
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.
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 el foco de la investigación en ciencia e ingeniería de materiales debido a su potencial para tener propiedades deseables.
En una aleación de 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 algunas de las mejores propiedades de los metales y las cerámicas. Estas propiedades incluyen alta conductividad eléctrica y térmica, resistencia al choque térmico, tolerancia al daño, maquinabilidad, alta rigidez elástica y bajos coeficientes de expansión térmica. [43] 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. Si bien las aleaciones de fase MAX se descubrieron en la década de 1960, el primer artículo sobre el tema no se publicó hasta 1996.
[44]
Sir Nevill Mott (1905–1996) escribió una carta a un colega físico, el Prof. Peter P. Edwards , en la que señala... He pensado mucho sobre '¿Qué es un metal?' y creo que sólo se puede responder a la pregunta en T = 0 (el cero absoluto de temperatura). Allí un metal conduce y un no metal no.
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