015 – Propiedades de los metales

La tabla periódica es, antes que nada, un resumen del comportamiento. Los elementos se colocan donde están debido a cómo conducen, cómo se deforman y con qué reaccionan, y esas mismas propiedades son las que le dicen a un ingeniero si un material pertenece a un cable, un disipador de calor, una viga estructural o una batería. Distinguir un metal de un no metal y de un metaloide es la primera clasificación que aprende un químico, y se realiza no buscando una respuesta, sino mediante la experimentación.

Cuatro propiedades físicas y dos químicas separan las clases. Los metales conducen la electricidad porque sus electrones externos están deslocalizados y libres para desplazarse a través de la red; esos mismos electrones móviles transportan calor, dan a la superficie su brillo reflectante y permiten que los planos de la red se deslicen unos sobre otros sin romperse, lo cual es la maleabilidad. Los no metales retienen sus electrones en enlaces covalentes localizados y no hacen ninguna de estas cosas. Los metaloides se sitúan en medio: la red covalente del silicio transmite el calor como vibraciones perfectamente bien, pero casi no libera portadores de carga, lo cual es exactamente lo que lo convierte en un semiconductor. Químicamente, un metal situado por encima del hidrógeno en la serie de actividad lo desplaza del ácido, y los metales más reactivos —las familias de los metales alcalinos y alcalinotérreos a la izquierda de la tabla— lo hacen solo a partir del agua, dejando atrás un hidróxido y, por tanto, una solución fuertemente básica.

En este laboratorio pondrá a prueba diez elementos. Cinco —zinc, azufre, silicio, hierro y plomo— se examinan para determinar su conductividad eléctrica y térmica, brillo, maleabilidad y reacción con ácido clorhídrico 1 M, y se clasifican a partir de los resultados. Otros cinco —litio, sodio, potasio, magnesio y calcio— se colocan en agua destilada, se observa su efervescencia y se prueban con papel de tornasol rojo y azul para establecer si se ha formado una base. La tabla de resultados completa es una pequeña versión experimental del bloque izquierdo de la tabla periódica.

Objetivos Educativos

Familiarización con el entorno del laboratorio

• Localice y utilice el equipo de un banco de ensayos de materiales: el detector de conductividad eléctrica, las pinzas, el papel de lija, los dos juegos de vasos de precipitados, el gotero y los papeles tornasol y la tabla de pH.

Uso de equipo de protección y manipulación segura de metales reactivos

• Use guantes y protección ocular, y manipule cada muestra de metal con pinzas en lugar de con las manos.
• Explique por qué los metales alcalinos se añaden al agua en trozos pequeños y con protección ocular, y por qué el ácido clorhídrico 1 M requiere el mismo cuidado.

Prueba de propiedades físicas

• Utilice el detector de conductividad correctamente y abrase primero una muestra con papel de lija para que el óxido superficial no oculte el metal subyacente.
• Evalúa la conductividad térmica, el brillo metálico y la maleabilidad, y describe cada observación de tal forma que otro alumno pueda reproducirla.

Probando propiedades químicas

• Observe la reacción de cada uno de los cinco elementos con ácido clorhídrico 1 M y registre si se desprende hidrógeno.
• Coloque las muestras de metales alcalinos y alcalinotérreos en agua destilada, observe la efervescencia y use papel tornasol rojo y azul para determinar si la solución resultante es básica.

Clasificación de elementos a partir de evidencias

• Asigna cada elemento a metal, no metal o metaloide sobre la base de las seis pruebas en lugar de su posición en la tabla.
• Explique qué propiedad única es la más diagnóstica y qué observaciones por sí solas serían engañosas.

Conectando el comportamiento con las tendencias periódicas

• Relaciona la conductividad, el brillo y la maleabilidad con los electrones deslocalizados en una red metálica.
• Relaciona la reactividad con el ácido y con el agua con la posición en la serie de actividad y con la facilidad con la que un átomo pierde su electrón más externo.

Registro e interpretación de una matriz de resultados

• Rellena una tabla de diez elementos por seis propiedades y analiza las tendencias tanto en las columnas como en las filas.
• Identifique las entradas que requieren una nota calificativa en lugar de un simple sí o no.

Protocolo

Parte A: Las propiedades de los metales, no metales y metaloides

Conductividad eléctrica

1. Tome el detector de conductividad eléctrica (ECD) y enciéndalo.
2. Toma una muestra de zinc con las pinzas.
3. Coloque los electrodos de ECD en la pieza de zinc (asegúrese de que ambos electrodos estén en contacto simultáneamente con la pieza).
4. Observe si la bombilla ECD se enciende o no, el resultado se encuentra en la tabla de resultados.
5. Repite los pasos 2 a 4 con las piezas de azufre, silicio, hierro y plomo.

Conductividad térmica

1. Toma una muestra de zinc con las pinzas.
2. Coloca la palma de tu mano libre sobre la pieza de zinc. El resultado de la sensación al tacto se registra en la tabla de resultados.
3. Repite los pasos 1 y 2 con las piezas de azufre, silicio, hierro y plomo.

Brillar

1. Toma una muestra de zinc con las pinzas.
2. Con la otra mano, frota ligeramente la pieza de zinc con papel de lija para eliminar cualquier rastro de suciedad u oxidación en una de sus partes.
3. Observe el área frotada, la observación se encuentra en la tabla de resultados si muestra brillo metálico o no.
4. Coloca la pieza en el contenedor de recuperación.
5. Repita los pasos 1, 2 y 3 con las piezas de azufre, silicio, hierro y plomo.

Maleabilidad

1. Toma una muestra de zinc con las pinzas.
2. Con la otra mano, toma los alicates de doblar e intenta doblar la muestra de zinc.
3. Observe la maleabilidad en la tabla de resultados. Si la pieza se dobla ligeramente, es maleable. Si se rompe o no se dobla, no es maleable.
4. Coloca la pieza en el contenedor de recuperación.
5. Repita los pasos 1 a 4 con las piezas de azufre, silicio, hierro y plomo.

Reacción al ácido

1. Coloca un trozo de zinc, azufre, silicio, hierro y plomo en cada uno de los vasos de precipitados de 50 mL ya identificados por nombre.
2. Con el cuentagotas, aspire la solución de ácido clorhídrico (HCl 1 M) y vierta unas gotas sobre el trozo de zinc.
3. Observe si ocurre una reacción de efervescencia (presencia de pequeñas burbujas). La reacción se anotará en la tabla de resultados.
4. Repite los pasos 2 y 3 con las piezas de azufre, silicio, hierro y plomo.

Parte B: Las propiedades de los metales alcalinos y los metales alcalinotérreos

Reacción con agua

1. En los vasos de precipitados identificados con litio, sodio, potasio, magnesio y calcio, vierta 50 ml de agua destilada.
2. Sumerja un trozo de papel tornasol rojo y un trozo de papel tornasol azul en cada vaso de precipitados para confirmar la neutralidad del agua utilizada en los vasos de precipitados.

Un medio neutro no cambiará el color de los papeles tornasol.

3. Con la pinza, tome una muestra de las sustancias litio, sodio, potasio, magnesio y calcio y colóquelas en cada uno de los vasos de precipitados de 50 ml (que contienen el agua destilada) ya identificados por su nombre.

Observe si ocurre una reacción de efervescencia (presencia de pequeñas burbujas). La reacción se anotará en la tabla de resultados.

4. Sumerge de nuevo un trozo de papel tornasol rojo y un trozo de papel tornasol azul en cada vaso de precipitados.

Resultados esperados

La tabla de resultados completa. Seis pruebas en diez elementos. Los cinco elementos a la izquierda de la tabla se prueban con ácido clorhídrico 1 M; los metales alcalinos y alcalinotérreos de la derecha también se prueban con agua destilada.

Leyendo la tabla. La conductividad eléctrica es la columna más decisiva: solo el azufre y el silicio fallan en ella, y todo lo que la supera también muestra brillo. La maleabilidad separa aún más al conjunto: el magnesio y el calcio son frágiles en lugar de maleables a pesar de ser metales inequívocos, un recordatorio de que la maleabilidad depende de cómo se apilan los planos reticulares, y no meramente de la presencia de enlace metálico. La reacción con el agua es la columna que aisla a las dos familias del extremo izquierdo: el litio, el sodio, el potasio y el calcio reaccionan, el magnesio no lo hace de forma apreciable a temperatura ambiente, y ninguna de las cinco muestras de transición o postransición lo hace.

Por qué los metales conducen. En una red metálica, los electrones externos no están ligados a átomos individuales, sino que ocupan estados deslocalizados que se extienden por todo el cristal. Un voltaje aplicado hace que ese mar de electrones se desplace, lo cual constituye la conducción eléctrica; esos mismos electrones de movimiento rápido también transportan energía cinética desde las regiones calientes a las frías, razón por la cual los buenos conductores eléctricos son casi siempre buenos conductores térmicos, y reflejan la luz visible en todo el espectro, lo que constituye el brillo metálico. Debido a que el enlace no es direccional, un plano de iones puede deslizarse sobre el siguiente sin que el enlace se rompa; de ahí la maleabilidad, siempre que la estructura cristalina permita el deslizamiento.

Silicio, el metaloide. El silicio es el caso ilustrativo. Conduce bien el calor —unos 149 W/(m·K), mejor que el hierro— porque el calor viaja a través de su red covalente rígida en forma de vibraciones, que no necesitan electrones libres en absoluto. Pero esos mismos enlaces covalentes mantienen cada electrón de valencia en su lugar, por lo que el silicio puro casi no transporta corriente: a temperatura ambiente, solo una fracción diminuta de electrones tiene suficiente energía para cruzar su banda prohibida. La conducción de calor por vibración reticular y la conducción de carga por electrones móviles son mecanismos separados, y el silicio tiene uno sin el otro. Esa es precisamente la propiedad que lo convierte en un semiconductor y la base de toda la industria electrónica, ya que añadir impurezas deliberadamente aumenta su conductividad en varios órdenes de magnitud.

Azufre, el no metal. El azufre es la única muestra aquí que no pasa ninguna prueba. Sus moléculas son S discretas₈ anillos unidos entre sí por débiles fuerzas de dispersión: sin electrones deslocalizados, por lo que no hay conducción ni brillo; sin red continua que pueda deslizarse, por lo que se fragmenta en lugar de deformarse; y sin tendencia a ceder electrones a los iones de hidrógeno, por lo que no hay reacción con el ácido.

Los mejores conductores están a la izquierda. De forma contraintuitiva, los metales alcalinos y alcalinotérreos superan a los metales estructurales familiares en este conjunto. El calcio alcanza aproximadamente 3,0 × 10⁷ S/m y 201 W/(m·K), por delante tanto del hierro como del plomo. No se utilizan como conductores por la razón obvia: se corroen o reaccionan al entrar en contacto con el aire y el agua. La utilidad en ingeniería es una combinación de propiedades, no una sola.

Reacción con ácido. Un metal desplaza al hidrógeno de un ácido si se encuentra por encima del hidrógeno en la serie de actividad, es decir, si su potencial estándar de reducción es negativo:

M(s) + 2 H⁺(aq) → M²⁺(ac) + H₂(g)

Tanto el zinc (E° = −0,76 V) como el hierro (E° = −0,44 V) producen un flujo constante de burbujas de hidrógeno. El cliente potencial es el registro que necesita una calificación. El plomo reacciona con el ácido clorhídrico —se encuentra por encima del hidrógeno, a E° = −0,13 V—, pero la reacción es muy débil. El cloruro de plomo(II) que se forma es apenas soluble, aproximadamente 10 g/L a temperatura ambiente, por lo que se deposita sobre el metal casi de inmediato y sella la superficie: aparecen unas pocas burbujas de hidrógeno y luego la reacción prácticamente se detiene. Espere una efervescencia débil y de corta duración en lugar del desprendimiento constante que se observa con el cinc o el hierro. La tabla registra esto como un sí, porque la reacción ocurre, pero un estudiante debe notar que es débil y explicar por qué.

Reacción con agua. Los metales alcalinos y los metales alcalinotérreos más pesados reducen el agua directamente, liberando hidrógeno y dejando un hidróxido metálico en solución:

2 Li(s) + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g) y Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(ac) + H₂(g)

Por esta razón, la prueba del tornasol forma parte del protocolo y no es una ocurrencia tardía: la efervescencia indica que se está produciendo hidrógeno, y el tornasol indica lo que quedó atrás. Cada elemento que reacciona con el agua en este laboratorio da una solución con un pH superior a 12: el papel tornasol rojo se vuelve azul, el papel tornasol azul permanece azul. La reactividad aumenta al descender por el grupo 1, porque el electrón externo está progresivamente más lejos del núcleo y se pierde con más facilidad, por lo que el potasio reacciona con más vigor que el sodio y el sodio con más vigor que el litio. El magnesio es la excepción negativa en esa columna: su reacción con agua fría es demasiado lenta para ser vista, aunque procede fácilmente con vapor o con ácido.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

• Enfoque: las propiedades que distinguen a los metales, no metales y metaloides, y el registro cuidadoso de las observaciones.
• Actividades ejecute las seis pruebas en los diez elementos y complete la tabla de resultados; clasifique cada uno de los cinco elementos del primer grupo como metal, no metal o metaloide y proporcione la evidencia; use papel tornasol rojo y azul para indicar si cada reacción con el agua produjo una base; indique cuál prueba única fue la más útil y por qué.

Undécimo grado

• Enfoque: el enlace metálico como explicación de las propiedades físicas, y la serie de actividad para las químicas.
• Actividades Explicación de la conducción, el brillo y la maleabilidad en función de los electrones deslocalizados: - Conducción (térmica y eléctrica): Los electrones deslocalizados pueden moverse libremente a través de la red metálica. Cuando se aplica una diferencia de potencial o calor, estos electrones transportan la carga eléctrica o la energía cinética rápidamente por todo el metal. - Brillo: Los electrones deslocalizados en la superficie del metal pueden absorber y reemitir fotones de luz en una amplia gama de frecuencias, lo que le da al metal su apariencia reflectante o lustrosa. - Maleabilidad: Los enlaces metálicos son no direccionales, lo que significa que los cationes metálicos pueden deslizarse unos sobre otros cuando se aplica una fuerza (como un golpe de martillo) sin que se rompa la estructura general, ya que la nube de electrones deslocalizados continúa manteniendo unidos a los iones. Ecuaciones para las reacciones con ácidos y agua (ejemplo con un metal alcalino M, como el sodio): Reacción con agua: 2 M (s) + 2 H₂O (l) → 2 MOH (aq) + H₂ (g) Reacción con ácido (ejemplo con ácido clorhídrico, HCl): 2 M (s) + 2 HCl (aq) → 2 MCl (aq) + H₂ (g) Por qué el silicio conduce el calor pero no la electricidad: El silicio conduce el calor mediante las vibraciones de su red cristalina (fonones), un proceso que no requiere electrones libres. Sin embargo, a temperatura ambiente, los electrones del silicio están fuertemente atrapados en enlaces covalentes (banda de valencia) con una energía de banda prohibida relativamente alta, por lo que no hay suficientes electrones libres (delocalizados) disponibles para transportar una corriente eléctrica, lo que lo convierte en un semiconductor o aislante en estas condiciones. Orden de reactividad de litio, sodio y potasio y justificación a partir de la estructura atómica: Orden de reactividad (de menor a mayor): Litio < Sodio < Potasio. Justificación: Al bajar en el Grupo 1, cada elemento tiene un nivel de energía adicional (capas electrónicas), lo que aumenta el radio atómico. El electrón de valencia externo está más lejos del núcleo positivo y experimenta un mayor efecto pantalla por parte de los electrones internos. Esto debilita la atracción electrostática entre el núcleo y el electrón de valencia, facilitando su pérdida. Por lo tanto, el potasio pierde su electrón externo más fácilmente que el sodio, y este más fácilmente que el litio, lo que hace que el potasio sea el más reactivo. Por qué el magnesio reacciona negativamente con el agua (a temperatura ambiente) pero positivamente con el ácido: Con el agua fría, el magnesio reacciona muy lentamente o parece no reaccionar ("no") porque se forma una capa protectora insoluble de óxido de magnesio (MgO) o hidróxido de magnesio (Mg(OH)₂) en su superficie, que pasiva al metal e impide un mayor contacto con el agua. Con un ácido (como el HCl), los iones de hidrógeno (H⁺) presentes en alta concentración disuelven rápidamente esta capa de óxido protectora y reaccionan vigorosamente con el magnesio subyacente, produciendo efervescencia de gas hidrógeno (respuesta "sí").

12.º curso / Nivel universitario

• Enfoque: estructura de bandas, potenciales de electrodo y los límites de una clasificación cualitativa.
• Actividades explicar la diferencia entre un metal, un semiconductor y un aislante en términos de banda prohibida, y explicar por qué la conductividad del silicio aumenta con la temperatura mientras que la de un metal disminuye; utilizar los potenciales estándar de reducción para predecir cuáles de los diez elementos deberían reaccionar con HCl 1 M y comparar la predicción con las observaciones; explicar cuantitativamente por qué se detiene la reacción del plomo, utilizando la solubilidad del PbCl₂; calcular el pH esperado a partir de una masa determinada de litio que reacciona por completo en un volumen conocido de agua; identificar qué entradas en la tabla cambiarían si las muestras no se lijaran, y diseñar una prueba que distinga una reacción lenta de ninguna reacción en absoluto.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Detector de conductividad eléctrica (DCE)
• Pinzas
• Papel de lija
• Vasos de precipitados de 50 mL ×5
• Vasos de precipitados de 100 mL ×5
• Gotero
• Papeles tornasol rojo y azul
• Tabla de pH
• Toalla de papel
• Guantes y protección ocular

Productos

• Ácido clorhídrico, HCl 1 M (solución)
• Agua destilada
• Zinc (s)
• Sulfuro (s)
• Silicio (s)
• Hierro (s)
• Plomo (s)
• Litio (s)
• Sodio (s)
• Potasio (s)
• Magnesio (s)
• Calcio (s)