015 – Propietats dels metalls

La taula periòdica és, abans que res, un resum de comportament. Els elements es col·loquen on són a causa de com condueixen, com es deformen i amb què reaccionen, i aquestes mateixes propietats són les que indiquen a un enginyer si un material pertany a un cable, a un dissipador tèrmic, a una biga estructural o a una bateria. Distingir un metall d'un no-metall i d'un amfogen o d'un metal·loide és la primera classificació que aprèn un químic, i es fa no cercant una resposta sinó provant-la.

Quatre propietats físiques i dues de químiques separen les classes. Els metalls condueixen l'electricitat perquè els seus electrons exteriors estan deslocalitzats i lliures de circular per la xarxa; aquests mateixos electrons mòbils transporten la calor, donen a la superfície la seva lluïssor reflectia i permeten que els plans de la xarxa llueixin els uns sobre els altres sense trencar-se, la qual cosa és la mal·leabilitat. Els no-metalls retenen els seus electrons en enllaços covalents localitzats i no fan res de tot això. Els metal·loides es troben entremig: la xarxa covalent del silici transmet la calor com a vibracions perfectament, però gairebé no allibera portadors de càrrega, la qual cosa és exactament el que el fa un semiconductor. Químicament, un metall situat per damunt de la hidrogen en la sèrie d'activitat el desplaça de l'àcid, i els metalls més reactius —les famílies dels alcalins i alcalinoterris a l'esquerra de la taula— ho fan només a partir de l'aigua, deixant enrere un hidròxid i, per tant, una solució fortament bàsica.

En aquest laboratori provareu deu elements. Cinc —zinc, sofre, silici, ferro i plom— s'examinen pel que fa a la conductivitat elèctrica i tèrmica, la lluïssor, la maleabilitat i la reacció amb àcid clorhídric 1 M, i es classifiquen a partir dels resultats. Cinc més —liti, sodi, potassi, magnesi i calci— es col·loquen en aigua destil·lada, s'observen per si hi ha efervescència i es proven amb paper de tornassol vermell i blau per establir si s'ha format una base. La taula de resultats completada és una petita versió experimental del bloc esquerre de la taula periòdica.

Objectius educatius

Familiarització amb l'entorn del laboratori

• Localitzeu i utilitzeu l'equip d'un banc de proves de materials: el detector de conductivitat elèctrica, les tenalles, el paper de vidre, els dos jocs de vasos de precipitats, el degotador i els papers de tornassol i la taula de pH.

Ús d'equips de protecció i manipulació segura de metalls reactius

• Porteu guants i protecció ocular, i manipuleu cada mostra metàl·lica amb pinces en comptes de fer-ho amb les mans.
• Els metalls alcalins s'afegeixen a l'aigua en trossos petits i amb protecció ocular perquè reaccionen de manera molt violenta i exotèrmica, desprenent hidrogen gasós que pot inflamar-se o explotar i projectar partícules càustiques. L'àcid clorhídric 1 M requereix la mateixa cura perquè és una solució fortament àcida que pot causar cremades greus a la pell i danys irreversibles als ulls en cas de esquitxades.

Proves de propietats físiques

• Utilitzeu el detector de conductivitat correctament i abrasiu primer una mostra amb paper d'esmerill perquè l'òxid superficial no amagui el metall de sota.
• Avalueu la conductivitat tèrmica, la lluïssor metàl·lica i la mal·leabilitat, i descriviu cada observació en termes que un altre estudiant pugui reproduir.

Proves de propietats químiques

• Observeu la reacció de cadascun dels cinc elements amb àcid clorhídric 1 M i registreu si s'evolta hidrogen.
• Poseu les mostres de metalls alcalins i alcalinoterris en aigua destil·lada, observeu l'efervescència i utilitzeu paper de torratge vermell i blau per determinar si la solució resultant és bàsica.

Classificació d'elements a partir d'evidències

• Classifiqueu cada element com a metall, no-metall o metal·loide sobre la base de les sis proves en lloc de la seva posició a la taula.
• Explica quina propietat única és la més diagnòstica i quines observacions per si soles serien enganyoses.

Connectant el comportament amb les tendències periòdiques

• La conductivitat, la lluïssor i la maleabilitat estan relacionades amb els electrons deslocalitzats en una xarxa metàl·lica perquè aquests electrons lliures poden moure'fer lliurement per conduir l'electricitat i la calor, reflectir la llum per produir la lluïssor, i actuar com a matalaf flexible que permet als ions lliscar uns sobre altres sense trencar l'estructura quan s'aplica pressió, conferint així la maleabilitat.
• Relacioneu la reactivitat amb l'àcid i amb l'aigua amb la posició a la sèrie d'activitat i amb la facilitat amb què un àtom perd el seu electró extern.

Registre i interpretació d'una matriu de resultats

• Completeu una taula de deu elements per sis propietats i llegiu-ne les tendències horitzontals i verticals.
• Identifica les entrades que requereixen una nota de qualificació en lloc d'un simple sí o no.

Protocol

Part A: Les propietats dels metalls, no metalls i metal·loides

Conductivitat elèctrica

1. Enceneu el detector de conductivitat elèctrica (ECD).
2. Agafa una mostra de zinc amb les pinces.
3. Col·loqueu els elèctrodes de CDE sobre la peça de zinc (assegureu-vos que ambdós elèctrodes estiguin en contacte simultani amb la peça).
4. Observeu si el focus ECD s'encén o no, el resultat es troba a la taula de resultats.
5. Repetiu els passos 2 a 4 amb les peces de sofre, silici, ferro i plom.

Conductivitat tèrmica

1. Agafa una mostra de zinc amb les pinces.
2. Col·loca el palmell de la mà lliure sobre la peça de zinc. El resultat de la sensació al tacte es registra a la taula de resultats.
3. Repetiu els passos 1 i 2 amb els trossos de sofre, silici, ferro i plom.

Brillar

1. Agafa una mostra de zinc amb les pinces.
2. Amb l'altra mà, frega lleugerament la peça de zinc amb paper de vidre per treure qualsevol rastre de brutícia o oxidació en una de les seves parts.
3. Observeu la zona friccionada, l'observació es troba a la taula de resultats si mostra o no un brillantor metàl·lic.
4. Poseu la peça al contenidor de recuperació.
5. Repetiu els passos 1, 2 i 3 amb els trossos de sofre, silici, ferro i plom.

Mal·leabilitat

1. Agafa una mostra de zinc amb les pinces.
2. Amb l'altra mà, agafa els alicates de torsió i intenta doblegar la mostra de zinc.
3. Tingues en compte la mal·leabilitat en la taula de resultats. Si la peça es doblega lleugerament, és mal·leable. Si es trenca o no es doblega, no és mal·leable.
4. Poseu la peça al contenidor de recuperació.
5. Repetiu els passos 1 a 4 amb els exemplars de sofre, silici, ferro i plom.

Reacció a l'àcid

1. Col·loca un tros de zinc, sofre, silici, ferro i plom en cadascun dels 50 mL de gots de precipitats ja identificats amb el nom.
2. Amb el comptagotes, xuclar la dissolució d'àcid clorhídric (HCl 1 M) i abocar unes gotes sobre el tros de zinc.
3. Observeu si es produeix una reacció d'efervescència (presència de bombolles petites). La reacció s'anotarà a la taula de resultats.
4. Repetiu els passos 2 i 3 amb els trossos de sulfur, silici, ferro i plom.

Part B: Les propietats dels metalls alcalins i dels metalls alcalinoterris

Reacció amb aigua

1. Als gots identificats amb liti, sodi, potassi, magnesi i calci, aboqueu 50 ml d'aigua destil·lada.
2. Submergeix un tros de paper de tornassol vermell i un tros de paper de tornassol blau en cada vas de precipitats per confirmar la neutralitat de l'aigua utilitzada als vasos de precipitats.

Un medi neutre no canviarà el color dels papers de litmus.

3. Amb les pinces, agafa una mostra de les substàncies liti, sodi, potassi, magnesi i calci i diposita-les en cadascun dels Beekers de 50 ml (que contenen aigua destil·lada) ja identificats pel nom.

Observeu si es produeix una reacció d'efervescència (presència de bombolles petites). La reacció s'anotarà a la taula de resultats.

4. Torneu a submergir un tros de paper de litmus vermell i un tros de paper de litmus blau en cada got.

Resultats previstos

La taula de resultats completada. Sis proves sobre deu elements. Els cinc elements de l'esquerra de la taula es proven amb àcid clorhídric 1 M; els metalls alcalins i alcalinotèrres de la dreta també es proven amb aigua destil·lada.

Llegint la taula. La conductivitat elèctrica és la columna més decisiva de totes: només el sofre i el silici hi fallen, i tot el que la supera també mostra lluïssor. La mal·leabilitat separa encara més el conjunt: el magnesi i el calci són fràgils en lloc de mal·leables malgrat ser metalls inequívocs, un recordatori que la mal·leabilitat depèn de com s'apilen els plans reticulars, i no merament de la presència d'enllaç metàl·lic. La reacció amb l'aigua és la columna que aïlla les dues famílies de l'extrem esquerre: el liti, el sodi, el potassi i el calci reaccionen, el magnesi no ho fa de manera apreciable a temperatura ambient, i cap de les cinc mostres de transició o posttransició no ho fa.

Per què els metalls conducten. En una xarxa metàl·lica, els electrons exteriors no estan lligats a àtoms individuals, sinó que ocupen estats delocalitzats que s'estenen per tot el cristall. Un voltatge aplicat posa en moviment aquest mar d'electrons, que és la conducció elèctrica; els mateixos electrons de moviment ràpid també transporten energia cinètica des de les regions calentes cap a les fredes, i per això els bons conductors elèctrics són gairebé sempre bons conductors tèrmics, i reflecteixen la llum visible a tot l'espectre, que és el lluïment metàl·lic. Com que l'enllaç no és direccional, un pla d'ions pot lliscar sobre el següent sense que es trenqui l'enllaç — d'aquí la maleabilitat, sempre que l'estructura cristal·lina ho permeti.

Silici, el metaloide. El silici és el cas instructiu. Condueix bé la calor — uns 149 W/(m·K), millor que el ferro — perquè la calor es propaga a través de la seva xarxa covalent rígida com a vibracions, que no necessiten cap electró lliure. Però aquests mateixos enllaços covalents mantenen cada electró de valència en el seu lloc, de manera que el silici pur gairebé no condueix corrent: a temperatura ambient només una fracció infinitesimal d'electrons té prou energia per superar la seva bretxa d'energia. La conducció tèrmica per vibració de la xarxa i la conducció de càrrega per electrons mòbils són mecanismes separats, i el silici té un dels dos sense l'altre. Aquesta és precisament la propietat que el converteix en un semiconductor i en la base de tota la indústria electrònica, ja que l'addició deliberada d'impureses n'augmenta la conductivitat en ordres de magnitud.

El sofre, el no-metall. El sofre és l'única mostra aquí que falla totes les proves. Les seves molècules són discretes S₈ anells mantinguts units entre si per febles forces de dispersió: sense electrons deslocalitzats, per tant sense conducció ni lluïssor; sense xarxa contínua per lliscar, per la qual cosa es trenca en lloc de deformar-se; i sense tendència a cedir electrons als ions d'hidrogen, per tant sense reacció amb l'àcid.

Els millors conductors són a l'esquerra. Contràriament a l'esperança, els metalls alcalins i els metalls alcalinoterrosos superen els metalls estructurals habituals en aquest conjunt. El calci arriba a uns 3,0 × 10⁷ S/m i 201 W/(m·K), per davant tant del ferro com del plom. No s'utilitzen com a conductors per la raó òbvia: es corroeixen o reaccionen en contacte amb l'aire i l'aigua. La utilitat en enginyeria és una combinació de propietats, no una de sola.

Reacció amb àcid. Un metall desplaça l'hidrogen d'un àcid si es troba per sobre de l'hidrogen en la sèrie d'activitat, és a dir, si el seu potencial de reducció estàndard és negatiu:

M(s) + 2 H⁺(aq) → M²⁺(aq) + H₂(g)

El zinc (E° = −0,76 V) i el ferro (E° = −0,44 V) produeixen tots dos un flux constant de bombolles d'hidrogen. El plom és l'entrada que necessita una qualificació. El plom reacciona amb l'àcid clorhídric — es troba per sobre de l'hidrogen, amb E° = −0,13 V — però la reacció és molt feble. El clorur de plom(II) que forma és només lleugerament soluble, aproximadament 10 g/L a temperatura ambient, de manera que es diposita sobre el metall gairebé de seguida i segella la superfície: apareixen unes quantes bombolles d'hidrogen i la reacció gairebé s'atura. Cal esperar una efervescència lleu i de curta durada en lloc de l'evolució constant que es veu amb el zinc o el ferro. La taula ho registra com a «sí», perquè la reacció sí que té lloc, però un estudiant hauria de notar que és feble i explicar-ne el motiu.

Reacció amb aigua. Els metalls alcalins i els metalls alcalinoterris més pesants redueixen l'aigua directament, alliberant hidrogen i deixant un hidròxid metàl·lic en solució:

2 Li(s) + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g) i Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂₂(aq) + H₂(g)

Per això la prova de torassol forma part del protocol i no és un detall secundari: l'efervescència indica que s'està produint hidrogen, i el paper de torassol indica què s'ha deixat enrere. Cada element que reacciona amb l'aigua en aquest laboratori dona una solució amb un pH superior a 12: el torassol vermell es torna blau, el torassol blau es queda blau. La reactivitat augmenta a mesura que es baixa pel grup 1, perquè l'electró exterior està progressivament més lluny del nucli i es perd més fàcilment, de manera que el potassi reacciona amb més vigor que el sodi i el sodi amb més vigor que el liti. El magnesi és l'única excepció en aquesta columna: la seva reacció amb l'aigua freda és massa lenta per veure's, tot i que transcorre fàcilment amb vapor o amb àcid.

Resum de tasques per rang de qualificació

De 9è a 10è grau

• Enfocament les propietats que distingeixen els metalls, els no-metalls i els metal·loides, i el registre acurat de les observacions.
• Activitats: executeu les sis proves als deu elements i completeu la taula de resultats; classeu cadascun dels cinc elements del primer grup com a metall, no-metall o amfoter i aporteu-ne les proves; utilitzeu paper de torrat roig i blau per a dir si cada reacció amb l'aigua ha produït una base; indiqueu quina prova individual ha estat més útil i per què.

11è curs

• Enfocament l'enllaç metàl·lic com a explicació de les propietats físiques, i la sèrie d'activitat per a les químiques.
• Activitats: **Conducció, brillantor i mal·leabilitat** - **Conducció (tèrmica i elèctrica):** Els electrons deslocalitzats formen un "mar" d'electrons lliures per moure'ixes per tota l'estructura metàl·lica. Quan s'aplica una diferència de potencial o una font de calor, aquests electrons lliures transporten ràpidament la càrrega elèctrica o l'energia tèrmica. - **Brillantor:** Els electrons deslocalitzats de la superfície metàl·lica poden absorbir i reemetre una àmplia gamma de freqüències de llum (fotons), la qual cosa dona al metall el seu aspecte lluiro o brillant. - **Mal·leabilitat:** Els àtoms metàl·lics s'organitzen en capes regulars. Quan s'aplica una força, aquestes capes poden lliscar les unes sobre les altres sense trencar l'enllaç metàl·lic, ja que el "mar" d'electrons deslocalitzats continua cohesionant els cations, permetent que el metall es deforme en comptes de fracturar-se. **Equacions per a les reaccions amb àcid i aigua (amb sodi com a exemple)** - Reacció amb aigua: $2\text{Na (s)} + 2\text{H}_2\text{O (l)} \rightarrow 2\text{NaOH (aq)} + \text{H}_2\text{ (g)}$ - Reacció amb àcid (per exemple, àcid clorhídric): $2\text{Na (s)} + 2\text{HCl (aq)} \rightarrow 2\text{NaCl (aq)} + \text{H}_2\text{ (g)}$ **Per què el silici condueix la calor però no l'electricitat** El silici té una estructura de xarxa covalent (semblant al diamant) on els electrons estan fermament subjectats en enllaços covalents i no estan deslocalitzats, per la qual cosa no pot conduir l'electricitat de manera eficient a temperatura ambient (és un semiconductor). No obstant això, condueix la calor mitjançant vibracions de la xarxa cristal·lina (fonons), que es propaguen a través dels àtoms units covalentment, independentment del moviment lliure d'electrons. **Ordre de reactivitat de liti, sodi i potassi i justificació** - **Ordre de reactivitat (de menor a major):** Liti < Sodi < Potassi. - **Justificació:** Tots tres són metalls alcalins (Grup 1) i reaccionen perdent el seu únic electró de valència. En baixar pel grup, augmenta el nombre de capes electròniques, la qual cosa fa que l'electró extern estiga més lluny del nucli i experimente un efecte pantalla major. Això redueix l'atracció electroestàtica entre el nucli i l'electró de valència, facilitant-ne la pèrdua i fent que la reactivitat augmente. **Per què el magnesi dona "no" amb l'aigua freda però "sí" amb l'àcid** - **Aigua (freda):** El magnesi reacciona molt lentament o pràcticament gens amb l'aigua freda perquè es forma ràpidament una capa protectora insoluble d'òxid de magnesi ($\text{MgO}$) o hidròxid de magnesi ($\text{Mg(OH)}_2$) a la seua superfície, la qual cosa passiva el metall i impedeix una major reacció. - **Àcid:** L'àcid (com el $\text{HCl}$) dissolt en aigua dissol ràpidament aquesta capa protectora d'òxid i reacciona vigorosament amb el magnesi subjacent, produint gas hidrogen i una solució de clorur de magnesi.

12è curs / Nivell universitari

• Enfocament estructura de bandes, potencials d'elèctrode i els límits d'una classificació qualitativa.
• Activitats: justifiqueu la diferència entre un metall, un semiconductor i un aïllant pel que fa a la banda prohibida, i expliqueu per què la conductivitat del silici augmenta amb la temperatura mentre que la d'un metall disminueix; utilitzeu els potencials estàndard de reducció per predir quin dels deu elements hauria de reaccionar amb HCl 1 M, i compareu la predicció amb les observacions; expliqueu quantitativament per què la reacció del plom s'atura, utilitzant la solubilitat del PbCl2₂; calcular el pH esperat a partir d'una massa determinada de liti que reacciona completament en un volum conegut d'aigua; identificar quines entrades de la taula canviarien si les mostres no s'haguessin abrasiat, i dissenyar una prova que distingeixi una reacció lenta de cap reacció.

Equipament de laboratori

Instruments

• Detector de conductivitat elèctrica (DCE)
• Pinces
• Paper de vidre
• Vasos de precipitats de 50 mL ×5
• Vasos de precipitats de 100 mL ×5
• Gotejador
• Papers de torrat roig i blau
• Gràfic de pH
• Paper de cuina
• Guants i protecció ocular

Productes

• Àcid clorhídric, HCl 1 M (solució)
• Aigua destil·lada
• Zinc (s)
• Sofre (s)
• Silici (s)
• Ferro (s)
• Plom (s)
• Liti (s)
• Sodi (s)
• Potassi (s)
• Magnesi (s)
• Calci (s)