En esta lección
Llévatelo
- Diapositivas de la lección (en inglés) (PDF)
- Hoja de práctica (próximamente)
Pregunta esencial
¿Cómo explica la estructura de un metal sus propiedades?
Los metales son brillantes, conducen la electricidad y se pueden doblar sin romperse. Al terminar esta lección, deberías poder explicar esas propiedades con un modelo de partículas de los metales y las aleaciones.
El video está en inglés. ¿El video no carga? Míralo en YouTube.
Enlace metálico
- Los cationes metálicos están empacados en un arreglo regular y repetitivo.
- Los electrones de valencia están deslocalizados: no pertenecen a ningún átomo en particular.
- Este “mar de electrones” rodea a los cationes y se mueve libremente por todo el metal.
Los metales tienen energías de ionización bajas, así que sus átomos ceden fácilmente sus electrones de valencia. El enlace metálico es la atracción de Coulomb entre los cationes positivos y el mar negativo de electrones. A diferencia de un enlace covalente, no se da entre pares específicos de átomos. Se extiende por todo el sólido.
Fuerza del enlace metálico
- Más electrones de valencia → enlace más fuerte
- Cationes más pequeños → enlace más fuerte
- Enlace más fuerte → punto de fusión más alto
El sodio (grupo 1) aporta un electrón por átomo al mar y forma Na+. El magnesio (grupo 2) aporta dos electrones por átomo y forma Mg2+, que además es más pequeño. Según la ley de Coulomb, una carga mayor y una distancia menor hacen más fuerte la atracción. Por eso el magnesio se funde a 650 °C, mientras que el sodio se funde a solo 98 °C.
Consejo para el examen: para comparar los puntos de fusión de metales, fíjate en el número de electrones de valencia (la carga del catión) y en el tamaño del catión.
Conductividad eléctrica
- Los electrones deslocalizados pueden moverse libremente.
- Un voltaje empuja los electrones a través del metal hacia la terminal positiva. La carga en movimiento es una corriente eléctrica.
- Los mismos electrones móviles transportan energía con rapidez, así que los metales también son buenos conductores del calor.
Regla para recordar: para conducir electricidad, una sustancia necesita partículas con carga que puedan moverse libremente. En un metal, esas partículas son los electrones.
Maleable y dúctil
- Maleable: se puede martillar hasta formar láminas delgadas (papel aluminio)
- Dúctil: se puede estirar hasta formar alambres (cable de cobre)
- Las capas de cationes pueden deslizarse unas sobre otras, y el mar de electrones las mantiene enlazadas.
Después de que la capa superior se desliza, sus cationes siguen rodeados por el mar de electrones, porque los electrones se mueven junto con ellos. El enlace metálico es no direccional, así que el metal se dobla en lugar de romperse.
Por qué se rompen los sólidos iónicos
- En un sólido iónico como el NaCl, los iones positivos y negativos se alternan.
- Si desplazas una capa un ion, las cargas iguales quedan alineadas y se repelen.
- El cristal se agrieta en lugar de doblarse, así que los sólidos iónicos son quebradizos.
Consejo para el examen: los metales se doblan porque el mar de electrones mantiene todo atraído. Los sólidos iónicos se rompen porque al desplazar las capas las cargas iguales quedan alineadas.
¿Qué es una aleación?
Una aleación es una mezcla de un metal con uno o más elementos. El otro elemento puede ser otro metal o un no metal como el carbono. Las aleaciones conservan su carácter metálico (siguen conduciendo la electricidad), pero algunas de sus propiedades cambian.
- Aleaciones intersticiales: átomos de tamaños muy distintos (ejemplo: acero)
- Aleaciones sustitucionales: átomos de tamaños parecidos (ejemplo: latón)
Aleaciones intersticiales
- Se forman entre átomos con radios muy distintos.
- Los átomos más pequeños llenan los huecos (intersticios) entre los átomos más grandes.
- Ejemplo: el acero, donde los átomos de carbono ocupan huecos en la red del hierro.
El hierro tiene un radio de unos 126 pm y el carbono solo de unos 77 pm. Esa gran diferencia de tamaño permite que el carbono se meta en los huecos. No se quita ningún átomo de hierro. Los átomos de carbono se agregan en medio.
Propiedades de las aleaciones intersticiales
- Los átomos pequeños traban las capas en su lugar.
- Más duras y más fuertes que el metal puro
- Menos maleables y menos dúctiles
- Más densas que el metal puro
Los átomos pequeños se ubican entre las capas y actúan como cuñas, así que las capas no pueden deslizarse con facilidad. Por eso los puentes y los rascacielos se construyen con acero y no con hierro puro. Como los átomos pequeños llenan espacio vacío, agregan masa sin cambiar realmente el volumen, así que la densidad aumenta.
Aleaciones sustitucionales
- Se forman entre átomos de radio comparable.
- Un tipo de átomo reemplaza (sustituye) al otro en la red.
- Ejemplo: el latón, donde los átomos de zinc reemplazan a algunos átomos de cobre.
El cobre tiene un radio de unos 128 pm y el zinc de unos 134 pm. Son tan parecidos que un átomo de zinc cabe justo en el lugar de un átomo de cobre. No hay átomos adicionales en los huecos, así que la red se ve casi igual que la del cobre puro.
Propiedades de las aleaciones sustitucionales
- La ligera diferencia de tamaño altera un poco las capas.
- Más duras que el metal puro
- Siguen siendo maleables y dúctiles
- La densidad está entre las densidades de los dos metales.
Como los átomos tienen tamaños parecidos, las capas todavía pueden deslizarse. Las pequeñas irregularidades de los átomos un poco distintos agregan algo de resistencia, y por eso el latón es más duro que el cobre puro.
Intersticial frente a sustitucional
| Intersticial | Sustitucional | |
|---|---|---|
| Tamaños de los átomos | Muy distintos | Parecidos |
| Dónde van los átomos agregados | En los huecos entre los átomos más grandes | En posiciones de la red, reemplazando a los átomos anfitriones |
| Maleabilidad | Mucho menos maleable y dúctil | Sigue siendo maleable y dúctil |
| Densidad | Mayor que la del metal puro | Entre las de los dos metales |
| Ejemplo | Acero (C en Fe) | Latón (Zn en Cu) |
Consejo para el examen: cuando identifiques una aleación en un diagrama de partículas, fíjate en los tamaños y las posiciones de los átomos. Átomos pequeños en los huecos significa intersticial. Átomos parecidos en las posiciones de la red significa sustitucional.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Puntos de fusión
El calcio se funde a 842 °C, pero el potasio se funde a solo 64 °C. Explica esta diferencia usando el enlace metálico.
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- Cuenta los electrones: el K está en el grupo 1, así que aporta 1 electrón de valencia al mar y forma K+. El Ca está en el grupo 2, así que aporta 2 electrones de valencia y forma Ca2+.
- Compara los tamaños: los dos están en el periodo 4, pero el calcio tiene un protón más y perdió dos electrones, así que el Ca2+ es más pequeño que el K+.
- Aplica la ley de Coulomb: una carga mayor y una distancia menor hacen más fuerte la atracción entre los cationes y el mar de electrones.
- Respuesta: El Ca tiene un enlace metálico más fuerte, así que se necesita más energía para separar sus partículas, lo que le da un punto de fusión más alto.
Ejemplo de justificación para el examen: Los iones de calcio tienen carga 2+ y son más pequeños que los iones de potasio, que tienen carga 1+. La atracción de Coulomb más fuerte entre los iones Ca2+ y los electrones deslocalizados requiere más energía para superarse, así que el calcio tiene el punto de fusión más alto.
Ejemplo 2: Identificación de una aleación
La plata de ley está hecha de átomos de cobre mezclados con plata. ¿La plata de ley es una aleación intersticial o sustitucional? Justifica tu respuesta.
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- Compara los radios: Ag = 144 pm y Cu = 128 pm.
- Encuentra la diferencia: 144 pm − 128 pm = 16 pm
- Diferencia porcentual: (16 pm ÷ 144 pm) × 100 ≈ 11%. El cobre es solo un 11% más pequeño que la plata, así que los átomos tienen tamaños parecidos.
- Decide dónde va el Cu: un átomo de cobre es demasiado grande para caber en los huecos entre los átomos de plata, pero su tamaño es lo bastante cercano para ocupar el lugar de un átomo de plata.
- Respuesta: Sustitucional. El Cu y la Ag tienen radios atómicos parecidos, así que los átomos de Cu reemplazan a los átomos de Ag en la red.
Consejo para el examen: tu justificación debe mencionar los tamaños de los átomos. Escribir solo “sustitucional” no te dará el punto.
Ejemplo 3: Diagramas de partículas
¿Qué diagrama representa mejor una aleación intersticial? Justifica tu elección.
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- Diagrama A: dos tipos de átomos, del mismo tamaño, los dos en posiciones regulares de la red. Es una aleación sustitucional.
- Diagrama B: los átomos grandes forman la red, y átomos mucho más pequeños ocupan los huecos entre ellos. Esto corresponde a una aleación intersticial.
- Diagrama C: solo hay un tipo de átomo, así que es un metal puro, no una aleación.
- Respuesta: B, porque los átomos más pequeños ocupan los espacios entre los átomos más grandes de la red.
Ejemplo 4: Conductividad
El cobre sólido conduce la electricidad, pero el cloruro de sodio sólido no. Explica usando la estructura a nivel de partículas.
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- Requisito: la conducción necesita partículas con carga que puedan moverse libremente.
- Cobre: por el enlace metálico, sus electrones de valencia están deslocalizados y pueden moverse libremente por el sólido.
- Cloruro de sodio: tiene partículas con carga (Na+ y Cl−), pero en el sólido están fijas en posiciones de la red, y no hay electrones deslocalizados.
- Respuesta: El Cu tiene electrones deslocalizados móviles. El NaCl sólido tiene iones fijos en su lugar y no tiene electrones libres, así que no puede fluir carga.
Extra: si fundes el cloruro de sodio, los iones pueden moverse y conducirá.
Práctica
La hoja de práctica llegará pronto.
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Los metales son cationes en un mar de electrones deslocalizados.
- El mar de electrones explica la conductividad y la maleabilidad.
- Aleaciones intersticiales: los átomos pequeños llenan los huecos.
- Aleaciones sustitucionales: átomos de tamaño parecido intercambian lugares.
De vuelta a la pregunta esencial: el mar móvil de electrones y el acomodo de los átomos explican cómo se comportan los metales y las aleaciones, desde conducir electricidad hasta doblarse sin romperse. A continuación, el Tema 2.5 muestra cómo representar moléculas covalentes con diagramas de Lewis.
Alineación con AP
Esta lección cubre el Tema 2.4, Estructura de los metales y las aleaciones, de la Unidad 2 (Estructura y propiedades de los compuestos) de la Descripción del curso y del examen (CED, por sus siglas en inglés) de AP Chemistry del College Board. Objetivo de aprendizaje:
- 2.4.A: Representar un sólido metálico o una aleación con un modelo que muestre las características esenciales de la estructura y de las interacciones presentes en la sustancia.
Conocimiento esencial: 2.4.A.1, 2.4.A.2, 2.4.A.3
Habilidad sugerida: 4.C Análisis de modelos. Explicar la conexión entre las propiedades a nivel de partículas y las propiedades macroscópicas de una sustancia usando modelos y representaciones.