Los metales - ... los metales, es esencial utilizar la teor£­a de los orbitales...

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    26/11/08 ESTRUCTURA MOLECULAR 372

    Los metalesLos metales • En química, un metal (del griego µεταλον) es

    un elemento que forma cationes fácilmente y que tiene enlaces metálicos.

    • Una manera de describir a los metales es pensar en ellos como si fuesen un enrejado tridimensional (lattice) de iones positivos inmersos en un mar de electrones o si se prefiere rodeados por una nube de electrones deslocalizados.

    • Los metales además son uno de los tres tipos de elementos que se distinguen por su energía de ionización y sus propiedades de enlace (además de los metaloides y los no metales).

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    Los metalesLos metales • Una definición mas moderna del significado de

    metal procedente de la teoría que mejor los explica es: son elementos que tienen en su estructura electrónica bandas de conducción y bandas de valencia.

    • Con esta definición, se amplía el concepto de metal, incluyendo otras sustancias además de los metales a los polímeros metálicos y a los metales orgánicos.

    • La mayoría de los metales son inestables químicamente.

    • Casi todos reaccionan con oxigeno a presión y temperatura ambiente.

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    Los metalesLos metales • Variando notablemente la escala de tiempo en que esto

    ocurre. • Así, los metales alcalinos reaccionan muy rápidamente,

    seguidos inmediatamente por los alcalinotérreos. • Los metales de transición tardan mucho más en oxidarse y

    hay algunos de ellos cuya lentitud es prácticamente infinita.

    • Algunos metales forman una barrera de óxido en su superficie evitando con ello la corrosión.

    • Una de las características de los metales es que pueden combinarse químicamente entre ellos mismos de manera no estequiométrica formando lo que conocemos con el nombre de aleación.

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    Los metalesLos metales • Así, una aleación es una mezcla (estequiométrica o

    no) de al menos dos elementos (uno de los cuales es necesariamente un metal).

    • De los millones de ejemplos que pueden existir de las aleaciones las más comunes son las siguientes: – Acero (Hierro y carbón), – Latón (Cobre y cinc), – Bronce (Cobre y estaño), – Duraluminio (Aluminio y Cobre), – Acero inoxidable o stainless steel (Hierro, cromo,

    carbón y Níquel), – Plata sterling (Plata y cobre), – Oro de 14 kilates (Oro y cobre)

    • Hay aleaciones especiales con 10 elementos.

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    Propiedades fPropiedades físísiicascas • Las más importantes son;

    – Buenos conductores del sonido, el calor y la electricidad (hay un acarreador)

    – Son maleables (pueden laminarse) – Son dúctiles (pueden hacerse alambres) – Tienen lustre (brillan) – Son duros (casi todos) – Son densos

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    OmnidireccionalidadOmnidireccionalidad • Los enlaces metálicos deben ser omnidireccionales. • Es decir no tienen requerimientos geométricos que deban

    satisfacerse • Si pensamos en canicas sumergidas en agua dentro de una

    caja, en principio podríamos empujarlas a cualquier lugar dentro de la caja y el agua seguirá rodeándolas

    • Debido a esta propiedad única del enlace metálico, este puede mantener su existencia a pesar de que lo empujemos o jalemos de cualquier manera.

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    Las estructuras de los metalesLas estructuras de los metales • Este acomodo será el más sencillo posible

    (piensen en las maneras que se pueden acomodar un conjunto de canicas o pelotas de ping-pong).

    • Se acercarán las unas a las otras hasta que las interacciones repulsivas sean importantes.

    • A este arreglo se le conoce como arreglo empacado cerrado (close packing)

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    Las estructuras de los metalesLas estructuras de los metales • Así cuando tenemos un conjunto de canicas las

    podemos empujar en cualquier dirección

    • Y si estuvieran rodeadas de agua, el agua se desplazaría dejándolas pasar

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    Las estructuras de los metalesLas estructuras de los metales • Este arreglo puede representarse de varias

    maneras, la tres más importantes son estas: – Bolas y palos (Ball & Stick)

    – Llenado espacial (Space filling)

    – Cúbico cortado (Cut away cubic)

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    Las estructuras de los metalesLas estructuras de los metales • Existen tres maneras en las que los átomos

    metálicos pueden acomodarse entre sí.

    – Cúbico centrado en el cuerpo

    Body centered cubic (BCC)

    – Cúbico centrado en la cara

    Face centered cubic (FCC)

    – Empaquetamiento hexagonal

    Hexagonal close packed (HCP)

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    Las estructuras de los metalesLas estructuras de los metales • Y la manera en que cada uno de los metales se

    empaca es la que se muestra aquí:

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    Los metales fundidosLos metales fundidos • En un metal fundido aunque la estructura

    ordenada se ha roto, el enlace metálico aun está presente.

    • De hecho puede decirse que el enlace metálico no se rompe por completo sino hasta que el metal hierve.

    • Muchas de las propiedades que consideramos presentan específicamente los metales son compatibles con el modelo de enlace siguiente: – Se describe como la compartición de los

    electrones libres por una lattice de átomos metálicos.

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco – Los átomos metálicos típicamente tienen electrones de

    valencia que se encuentran ligados débilmente a sus núcleos (energías de ionización pequeñas)

    – De esta manera que pueden deslocalizarse formando un mar de electrones

    – En el que se encuentran sumergidos los cores (kernels) de los átomos metálicos.

    – Es decir de iones positivos. – El hecho de que la mayoría de los metales sea sólido y

    que en general tengan puntos de fusión muy grandes, implica que el enlace entre ellos es fuerte.

    – Debe explicar la manera en que los átomos metálicos están unidos en un metal o una aleación.

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco • Además, dado que el enlace metálico es no

    polar o muy poco polar (las diferencias de electronegatividad entre los metales son muy pequeñas y garantizan esto.)

    • De manera que los electrones no tienen preferencia por ninguno de los átomos de la lattice y por tanto se deslocalizan a lo largo de toda la estructura cristalina del metal.

    • Este tipo de enlace explica la mayoría de las propiedades de los metales.

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco • Ahora bien para explicar mejor el comportamiento

    del enlace metálico, presentaremos un ejemplo: • El sodio tiene una estructura electrónica 1s22s22p63s1.

    • Cuando dos átomos de sodio se juntan, el electrón de valencia de un átomo de sodio (3s1) comparte el espacio del electrón de valencia del siguiente átomo al superponerse los orbitales donde se encuentran cada uno.

    • Dando como resultado la formación de un orbital molecular, de la misma manera que en que se forma un enlace covalente.

    • Sin embargo hay una pequeña diferencia, es que en esta ocasión, cada átomo de sodio está tocando a otros 8 átomos vecinos y a cada uno de estos a su vez lo tocan otros 8 átomos

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco • Y así hasta que se toman en cuenta todos los átomos

    del pedazo de metal que estamos analizando. • Es evidente que el número de orbitales

    moleculares debe ser muy grande pues cada orbital solo puede tener dos electrones.

    • Y esto conduce a que los electrones se puedan mover libremente dentro de estos orbitales moleculares pues están deslocalizados y así cada electrón puede separarse de átomo.

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco • Ahora bien el metal se mantendrá unido gracias a

    las fuerzas de atracción entre los núcleos positivos y los electrones deslocalizados.

    • A esto se le llama el modelo de la lattice de iones positivos en el mar de electrones.

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco • Este modelo

    permite explicar tanto la ductilidad como la maleabilidad de los metales considerando que los átomos pueden deslizarse unos sobre otros

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco • Si ahora empleamos el mismo argumento con el

    magnesio, nos encontraremos con que este metal tiene enlace más fuerte y por tanto un punto de fusión mayor.

    • El Mg tiene una capa de valencia con la estructura 3s2.

    • Cuando ambos electrones se deslocalizan tendremos que ahora en el mar de electrones del Mg hay el doble de electrones que en el Na.

    • Y por lo tanto los cores de cada Mg tienen el doble de la carga que los del Na.

    • De esta manera, la interacción electrostática será el cuádruple en el Mg, respecto a la del sodio.

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    El enlace metEl enlace metáliálicoco • De manera más realista