Rieles

Metales (de griego antiguo μέταλλον metallon "mina, mineral, metal") forman los elementos químicos que se encuentran en la izquierda y por debajo de una línea divisoria de boro a astato en la tabla periódica de los elementos . Eso es aproximadamente el 80 por ciento de los elementos químicos, por lo que la transición a los no metales a través de los semimetales es fluida y muchos de ellos pueden formar modificaciones con enlaces metálicos y atómicos.

El término también se usa para aleaciones y algunas fases intermetálicas ; Se aplica a todos los materiales que, en forma sólida o líquida, tienen las siguientes cuatro propiedades características de los materiales metálicos :

  1. alta conductividad eléctrica , que disminuye con el aumento de temperatura,
  2. alta conductividad térmica ,
  3. Ductilidad (deformabilidad)
  4. brillo metálico (acabado espejo).

Todas estas propiedades se basan en el hecho de que los átomos en cuestión se mantienen unidos por el enlace metálico , cuya característica más importante son los electrones que se mueven libremente en la red.

Un solo átomo de estos elementos no tiene propiedades metálicas; no es de metal. Solo cuando varios de estos átomos interactúan entre sí y hay un enlace metálico entre ellos, dichos grupos de átomos ( agrupaciones ) muestran propiedades metálicas.

Con un enfriamiento extremadamente rápido, los átomos de estos elementos también pueden ensamblarse de forma amorfa sin formar una red cristalina ; ver vidrio metálico .

Por otro lado, los átomos de otros elementos también pueden formar enlaces metálicos en condiciones extremas (presión) y así adoptar las propiedades metálicas mencionadas - ver hidrógeno metálico .

Los metales han encontrado diversos usos como materiales desde el comienzo de la civilización . Bajo el término física del metal o ciencia del metal , los físicos y científicos de materiales se ocupan de todos los conceptos básicos, consulte la física del estado sólido y las aplicaciones, consulte la ciencia de los materiales .

Clasificación

Los elementos, divididos en no metales, semimetales y metales. Este último diferenciado según la densidad (calculada para Fm a Og)
no metálico: hasta 5 g / cm³
(semi) metal: hasta 5 g / cm³ desde 5 g / cm³   desde 10 g / cm³   desde 20 g / cm³
H Oye
Li Ser B. C. norte O F. No
N / A Mg Alabama Si pag. S. Cl Arkansas
K Aprox. Carolina del Sur Ti V. Cr Minnesota Fe Co Ni Cu Zn Georgia Ge Como Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nótese bien Lun Tc Ru Rh Pd Ag CD En Sn Sb Te I. Xe
Cs Licenciado en Letras La * Hf Ejército de reserva W. re Os Ir Pt Au Ed Tl Pb Bi Correos A Marg
P. Real academia de bellas artes C.A ** Rf Db Sg Sostén Hs Monte Ds Rg Cn Nueva Hampshire Florida Mc Lv Ts Sobre
 
  * Ce Pr Dakota del Norte Pm Sm UE Di-s Tuberculosis Dy Ho Él Tm Yb Lu
  ** Th Pensilvania U Notario público Pooh En el Cm Bk Cf Eso Fm Maryland No Lr

Tradicionalmente, los metales se dividen en metales pesados y metales ligeros según su densidad y en metales nobles y metales base según su reactividad , siendo estos últimos buenos agentes reductores . Véase también el material metálico del artículo principal (así como la reactividad bajo reacción redox ).

Los metales se forman a partir de los elementos que están a la izquierda y debajo de una línea de boro a astato en la tabla periódica de los elementos , con el carácter metálico aumentando de arriba a abajo o de derecha a izquierda. En la parte superior derecha están los no metales , con los semimetales en el medio . Los elementos del subgrupo son todos metales. El límite de los no metales es fluido. Por ejemplo, el antimonio , el arsénico , el cerio y el estaño tienen modificaciones metálicas y no metálicas .

La pertenencia a los principales o subgrupos de la tabla periódica también es determinante para el comportamiento químico.

Propiedades físicas

General

Una pieza de hierro de alta pureza con una pureza del 99,97%.
Celda unitaria cúbica centrada en el cuerpo de un cristal de hierro

Las siguientes propiedades de los átomos son necesarias para la formación del estado metálico:

El resultado es que tales átomos no pueden conectarse entre sí a través de enlaces atómicos para formar moléculas o redes. A lo sumo, los enlaces atómicos se producen en vapores metálicos, p. B. El vapor de sodio consta de aproximadamente un 1% de moléculas de Na 2 .

Más bien, los átomos de metal se organizan en una red metálica , que consta de núcleos atómicos cargados positivamente , mientras que los electrones de valencia se distribuyen por toda la red; ninguno de estos electrones pertenece ya a un núcleo en particular. Estos electrones que se mueven libremente se pueden imaginar como partículas de un gas que llena el espacio entre los núcleos atómicos. Dado que este gas de electrones es responsable de la buena conductividad eléctrica de los metales, el nivel de energía en el que se encuentran los electrones libres se conoce como la “ banda de conducción ”. Las condiciones energéticas precisas son descritas por el modelo de banda basado en el modelo orbital .

Las siguientes propiedades típicas de los metales resultan de este tipo de enlace y esta estructura de celosía :

  • Brillo ( brillo de espejo): Los electrones que se mueven libremente pueden reemitir casi toda la radiación electromagnética incidente hasta las longitudes de onda de la radiación de rayos X; así surge el brillo y el reflejo ; Es por eso que los espejos están hechos de superficies metálicas lisas .
  • Opacidad: La reflexión descrita anteriormente que tiene lugar sobre la superficie del metal y la absorción de la parte no reflejada significan que, por ejemplo, la luz apenas puede entrar en el metal. Por lo tanto, los metales son solo ligeramente translúcidos en las capas más delgadas y aparecen grises o azules cuando se ven a través.
  • Buena conductividad eléctrica : la migración de los electrones que se mueven libremente en una dirección es la corriente eléctrica .
  • Buena conductividad térmica : los electrones fácilmente desplazables participan en el movimiento del calor. También transfieren el movimiento térmico propio de los núcleos atómicos (vibraciones) y así contribuyen al transporte de calor, ver conducción de calor .
  • Buena deformabilidad ( ductilidad ): Hay límites de grano y dislocaciones en el metal , que pueden moverse incluso cuando se estiran por debajo del alargamiento de rotura , es decir, sin perder cohesión; Dependiendo del tipo de rejilla, un metal se deforma antes de romperse.
  • Punto de fusión relativamente alto : resulta de las fuerzas de unión entre los cationes y los electrones que se mueven libremente, pero un efecto que es menos fuerte que las fuerzas electrostáticas de atracción entre los iones en los cristales de sal.

Temperaturas de fusión y ebullición

Los metales con un punto de fusión T E por encima de 2000 K o superior al punto de fusión del platino (T E -platino = 2,045 K = 1772 ° C) se hace referencia como de alto punto de fusión metales . Estos incluyen los metales preciosos rutenio , rodio , osmio e iridio y metales de los grupos IVB ( circonio , hafnio ), VB ( vanadio , niobio , tantalio ), VIB ( cromo , molibdeno , tungsteno ) y VIIB ( tecnecio , renio ).

Propiedades de conductividad térmica

Las propiedades relevantes para la conducción de calor, como la densidad , la capacidad calorífica , la conductividad térmica y la difusividad térmica , varían mucho. Por ejemplo, la plata, a 427 W / (m · K), tiene una conductividad térmica que es aproximadamente 50 veces mayor que la del manganeso, consulte la lista de valores .

Propiedades físicas de algunos metales. Los valores más altos y más bajos están marcados en color.
elemento litio aluminio cromo planchar cobre zinc plata estaño Cesio tungsteno osmio oro mercurio dirigir
Punto de fusión en ° C (1013 hPa) 180,54 660,2 1907 1538 1084,62 419.53 961,78 231,93 28,44 3422 3130 1064.18 −38,83 327,43
Punto de ebullición en ° C (1013 hPa) 1330 2470 2482 3000 2595 907 2210 2602 690 5930 5000 2970 357 1744
Densidad en g / cm 3 (20 ° C, 1013 hPa) 0.534 2.6989 7.14 7.874 8,92 7.14 10.49 α-estaño: 5.769

β-estaño: 7.265

1,90 19.25 22.59 19,32 13.5459 11,342
Dureza de Mohs 0,6 2,75 8.5 4.0 3,0 2.5 2.5 1,5 0,2 7.5 7.0 2.5 1,5
Conductividad eléctrica en 10 6 S / m 10,6 37,7 7,87 10.0 58,1 16,7 61,35 8,69 4,76 18.52 10,9 45,5 1.04 4,76
Conductividad térmica en W / ( m · K ) 85 235 94 80 400 120 430 67 36 170 88 320 8.3 35
Número atómico 3 13 24 26 29 30 47 50 55 74 76 79 80 82
Masa atómica en u 6,94 26,982 51.996 55.845 63,546 65,38 107.868 118.710 132.905 183,84 190.23 196.967 200.592 207,2
Electronegatividad 0,98 1,61 1,66 1,83 1,9 1,65 1,93 1,96 0,79 2,36 2.2 2,54 2.0 2,33
Sistema de cristal (1) cl cl cl cl cF hcp cF α-estaño: A4

β-estaño: tl

cl cl hcp cF P 3 cF

Propiedades químicas

Junto con los no metales, los metales generalmente aparecen como cationes ; Es decir, los electrones externos se ceden completamente a los átomos no metálicos y se forma un compuesto iónico ( sal ). En una red de iones , los iones solo se mantienen unidos por fuerzas electrostáticas .

En compuestos con metales de transición y en el caso de aniones más grandes (como el ion sulfuro ), pueden ocurrir todas las etapas de transición al enlace atómico.

Con los no metales como el hidrógeno , el carbono y el nitrógeno también se forman compuestos de intercalación , en los que los átomos no metálicos se ubican en los huecos de la rejilla metálica, sin alterarla sustancialmente. Estos compuestos de intercalación conservan las propiedades típicas del metal, como la conductividad eléctrica .

Cationes metálicos, v. una. los del subgrupo metales forman compuestos complejos con bases ( agua , amoniaco , halogenuros , cianuros, etc.) , cuya estabilidad no puede explicarse únicamente por la atracción electrostática.

Los metales en estados de oxidación más altos también forman aniones complejos, p. Ej. B .:

El trióxido de cromo se disuelve en una solución de hidróxido de potasio con la formación de cromato de potasio y agua.

Aleaciones

Las mezclas de un metal y uno o más elementos, que pueden ser metálicos o no metálicos, se denominan aleaciones si esta mezcla tiene las propiedades metálicas típicas (ductilidad, conductividad eléctrica, ...), es decir, si todavía está presente un enlace metálico. .

Las aleaciones a menudo tienen propiedades físicas y químicas completamente diferentes a las de los metales puros. En particular, la dureza y la resistencia son a veces órdenes de magnitud mayores. La resistencia a la corrosión también puede aumentar significativamente. El punto de fusión de las aleaciones, por otro lado, suele estar por debajo del de los metales puros; con una determinada composición se alcanza el punto de fusión más bajo, el eutéctico .

El bronce , una aleación de 80 a 95% de cobre y de 5 a 20% de estaño, se utilizó como la primera aleación fabricada específicamente en la historia de la humanidad . El acero ha sido durante mucho tiempo la aleación más utilizada; es una mezcla de hierro con partes de carbono y algunos otros elementos (→ aleación de acero ).

Ocurrencia

El núcleo de la tierra está compuesto en su mayor parte por hierro , ya que se encuentra en primer lugar en cantidades muy grandes porque es el elemento más estable en términos de física nuclear y, en segundo lugar, debido a su alta densidad.

En la corteza terrestre, en cambio, predominan los no metales; los metales relativamente comunes son el aluminio , hierro , manganeso , titanio , calcio , magnesio , sodio y potasio . Sin embargo, muchos metales raros se encuentran en sus sitios mineros de una manera muy enriquecida. Las rocas que contienen metales utilizables en concentraciones extraíbles se denominan minerales . Los minerales más importantes incluyen:

Los metales se extraen metalúrgicamente de los respectivos minerales .

Algunos metales preciosos, v. una. Oro , también viene digno , es decir. H. en forma pura y no como un compuesto (mena o mineral ).

usar

Moneda de plata "Eichbaum",
cinco Reichsmarks (1927-1933)
Techo de cobre en Dresde
Precios de los metales

Muchos metales son materiales importantes. El mundo moderno sería imposible sin metales. No en vano, las fases del desarrollo humano se denominan Edad de Piedra , Edad del Bronce y Edad del Hierro según los materiales utilizados .

Los metales puros se utilizan para fabricar cables eléctricos porque tienen la mayor conductividad. Para ello se utilizan principalmente cobre y aluminio sin alear y rara vez oro . De lo contrario, prácticamente nunca se utilizan metales puros.

La siguiente lista contiene los metales y componentes de aleación más importantes , no compuestos:

Metal en astrofísica

En astrofísica , el metal se define de manera diferente, ver metalicidad ; aquí describe todos los elementos químicos por encima de un cierto número atómico (generalmente más alto que el helio ). Todos estos son elementos creados por fusión nuclear en estrellas o por supernovas , mientras que se cree que el hidrógeno y el helio (junto con algunas trazas de litio ) fueron creados por el Big Bang . La metalicidad de una estrella está relacionada con el momento en que se formó (ver población ).

Se supone que el hidrógeno en el interior de planetas gaseosos suficientemente pesados puede cambiar al estado metálico (en el sentido de la definición química de metal); este hidrógeno metálico probablemente también sea responsable del campo magnético extremadamente fuerte de Júpiter . Sin embargo, el hidrógeno metálico no contribuye a la metalicidad astrofísica del objeto en el que ocurre.

Metal en la filosofía china

Metal aquí denota un elemento de la teoría tradicional de cinco elementos .

heráldica

Como metales en la heráldica las tinturas (colores del escudo de armas) oro y plata respectivamente. En el caso de las pinturas heráldicas, el color amarillo se utiliza como sustituto del oro y el color blanco se utiliza como sustituto de la plata .

Ver también

literatura

Sobre la historia de los metales
  • Karl Otto Henseling : bronce, hierro, acero. Importancia de los metales en la historia (= Rororo. Rororo-Sachbuch 7706 = historia cultural de las ciencias naturales y la tecnología. Vol. 6). Rowohlt, Reinbek cerca de Hamburgo 1981, ISBN 3-499-17706-4 .
  • Franz Zippe : Historia de los metales. Viena 1857; Reimpresión de Wiesbaden 1967.
  • Adelbert Rössing: Historia de los metales. Berlín 1901.
A los metales
  • Erhard Hornbogen, Hans Warlimont: Metales - Estructura y propiedades de metales y aleaciones , Springer, sexta edición, 2016, ISBN 978-3-662-47952-0 .
  • Wolfgang Glöckner, Walter Jansen, Rudolf Georg Weissenhorn (eds.): Manual de química experimental. Secundaria superior nivel II Volumen 5: Química de los metales para uso general. Aulis-Verlag Deubner, Colonia 2003, ISBN 3-7614-2384-5 .

enlaces web

Wikcionario: Metal  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones
Commons : Metals  - colección de imágenes, videos y archivos de audio

Evidencia individual

  1. ↑ Uwe Kreibig: ¿ Cuándo es el oro un metal? En: Physik-Journal . Vol. 1, No. 1, 2002, ISSN  1617-9439 , págs. 20-21, en línea (PDF; 461 kB) .
  2. ↑ Burkhard Fricke (1975), Elementos superpesados: una predicción de sus propiedades químicas y físicas
  3. ^ Römpp Lexikon Chemie , novena edición, volumen 4, página 2709
  4. ↑ a b c P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: Gases nobles. En: Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Wiley-VCH, Weinheim 2006 ( doi : 10.1002 / 14356007.a17_485 ).