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 indican 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 pruebas.

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; los mismos electrones móviles transportan calor, le 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 encuentran 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 ubicado 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 lo tanto, una solución fuertemente básica.

En este laboratorio probará 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 tornasol rojo y azul para determinar si se ha formado una base. La tabla de resultados completa es una pequeña versión experimental del bloque izquierdo de la tabla periódica.

Metas educativas

Familiarización con el entorno de laboratorio

• Ubique y utilice el equipo de un banco de pruebas 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 manejo seguro 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 detrás de protección ocular, y por qué el ácido clorhídrico 1 M requiere el mismo cuidado.

Prueba de propiedades físicas

• Use el detector de conductividad correctamente y lije primero una muestra con papel de lija para que el óxido superficial no oculte el metal que está debajo.
• Evalúe la conductividad térmica, el brillo metálico y la maleabilidad, y describa cada observación en términos que otro estudiante pueda reproducir.

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

• Asigne 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

• La conductividad, el brillo y la maleabilidad están relacionados con los electrones deslocalizados en una red metálica debido a que estos electrones libres pueden moverse con facilidad a través de la estructura. La conductividad eléctrica y térmica ocurre porque estos electrones móviles transportan carga y energía cinética rápidamente. El brillo metálico se debe a que los electrones deslocalizados absorben y reemiten la luz visible, reflejándola. La maleabilidad se explica porque las capas de iones metálicos pueden deslizarse unas sobre otras sin romper el enlace metálico, ya que el mar de electrones deslocalizados se adapta y mantiene unidas las cargas positivas, evitando la repulsión y fractura del material.
• Relacione la reactividad con el ácido y con el agua con su 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

• Completa una tabla de diez elementos por seis propiedades y lee las tendencias a lo largo y a lo ancho de ella.
• Identifique las entradas que requieren una nota aclaratoria 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. Tome una muestra de zinc usando las pinzas.
3. Coloque los electrodos ECD sobre 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. Repita los pasos del 2 al 4 con los trozos de azufre, silicio, hierro y plomo.

Conductividad térmica

1. Tome una muestra de zinc usando las pinzas.
2. Coloque la palma de su mano libre sobre la pieza de cinc. El resultado de la sensación al tacto se registra en la tabla de resultados.
3. Repita los pasos 1 y 2 con los trozos de azufre, silicio, hierro y plomo.

Brillar

1. Tome una muestra de zinc usando las pinzas.
2. Con la otra mano, frote ligeramente la pieza de zinc con papel de lija para eliminar cualquier rastro de suciedad o 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 los trozos de azufre, silicio, hierro y plomo.

Maleabilidad

1. Tome una muestra de zinc usando las pinzas.
2. Con la otra mano, tome las tenazas de doblar e intente 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 del 1 al 4 con los trozos de azufre, silicio, hierro y plomo.

Reacción al ácido

1. Coloque un trozo de cinc, azufre, silicio, hierro y plomo en cada uno de los vasos de precipitados de 50 mL ya identificados por nombre.
2. Usando el gotero, extraiga la solución de ácido clorhídrico (HCl 1 M) y vierta unas gotas sobre el trozo de zinc.
3. Observe si se produce una reacción de efervescencia (presencia de burbujas pequeñas). La reacción se anotará en la tabla de resultados.
4. Repita los pasos 2 y 3 con los trozos 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 como 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.

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

3. Con las pinzas, 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 nombre.

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

4. Vuelva a sumergir un trozo de papel tornasol rojo y un trozo de papel tornasol azul en cada vaso de precipitados.

Resultados esperados

La tabla de resultados completada. Seis pruebas en diez elementos. Los cinco elementos de 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 por sí sola: solo el azufre y el silicio no la superan, y todo lo que la supera también muestra brillo. La maleabilidad separa aún más al conjunto: el magnesio y el calcio son quebradizos 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 aísla a las dos familias del extremo izquierdo: el litio, el sodio, el potasio y el calcio reaccionan, el magnesio no lo hace de manera apreciable a temperatura ambiente, y ninguna de las cinco muestras de metales de transición o postransición lo hace.

Por qué conducen los metales. 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 es la conducción eléctrica; esos mismos electrones de movimiento rápido también transportan energía cinética desde las regiones calientes hasta 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 instructivo. 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 en su lugar a cada electrón de valencia, 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 de la red 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 en la base de toda la industria electrónica, ya que agregar impurezas deliberadamente aumenta su conductividad en órdenes de magnitud.

Azufre, el no metal. El azufre es la única muestra aquí que no pasa ninguna prueba. Sus moléculas son S₈ anillos unidos entre sí por débiles fuerzas de dispersión: sin electrones deslocalizados, por lo que no hay conducción ni brillo; no hay una red continua que pueda deslizarse, por lo que se astilla en lugar de deformarse; y no hay 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 manera 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 del hierro y 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 la entrada que necesita una calificación. El plomo sí reacciona con el ácido clorhídrico —se encuentra por encima del hidrógeno, con E° = −0,13 V—, pero la reacción es muy débil. El cloruro de plomo(II) que 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 de la evolución constante que se observa con el cinc o el hierro. La tabla registra esto como un sí, porque la reacción sí ocurre, pero un estudiante debe señalar 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 H₂2 Li(s) + 2 H₂O(l) → 2 LiOH(aq) + H₂(g)₂(g) y Ca(s) + 2 H₂O(l) → Ca(OH)₂(ac) + H₂(g)

Por esta razón, la prueba del papel tornasol es parte del protocolo y no una ocurrencia tardía: la efervescencia te indica que se está produciendo hidrógeno, y el tornasol te dice qué quedó atrás. Cada elemento que reacciona con el agua en este laboratorio da una solución con un pH superior a 12: el tornasol rojo se vuelve azul, el tornasol azul se queda azul. La reactividad aumenta al bajar por el grupo 1, debido a que el electrón externo está progresivamente más lejos del núcleo y se pierde con mayor 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 el único negativo en esa columna: su reacción con agua fría es demasiado lenta para notarse, aunque transcurre fácilmente con vapor o con ácido.

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 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 tornasol rojo y azul para indicar si cada reacción con agua produjo una base; indique cuál prueba única fue la más útil y por qué.

Undécimo grado

• Enfoque el enlace metálico como la explicación de las propiedades físicas, y la serie de actividad para las químicas.
• Actividades: Conducción, brillo y maleabilidad: Los electrones deslocalizados en la estructura metálica forman un «mar» de electrones libres que pueden moverse a través de la red cristalina. La conductividad térmica y eléctrica ocurre porque estos electrones móviles transportan energía cinética y carga eléctrica con facilidad. El brillo metálico se debe a que los electrones deslocalizados absorben y reemiten fotones de luz de manera eficiente en la superficie. La maleabilidad se explica porque las capas de iones metálicos positivos pueden deslizarse unas sobre otras sin romper el enlace metálico, ya que el mar de electrones deslocalizados amortigua la repulsión electrostática y mantiene unida la estructura. Reacciones de los metales alcalinos con agua y ácidos: Con agua (ejemplo con potasio): 2 K(s) + 2 H₂O(l) → 2 KOH(aq) + H₂(g) Con ácido (ejemplo con potasio y ácido clorhídrico): 2 K(s) + 2 HCl(aq) → 2 KCl(aq) + H₂(g) Conductividad térmica frente a eléctrica del silicio: El silicio es un semiconductor covalente con una estructura de red gigante similar al diamante, donde todos los electrones de valencia están localizados en enlaces covalentes fuertes Si-Si, por lo que no hay electrones libres para transportar una corriente eléctrica (conductividad eléctrica baja o nula). Sin embargo, conduce el calor mediante la vibración de la red cristalina (fonones) a través de los átomos unidos. Orden de reactividad de los metales alcalinos (litio, sodio, potasio): Potasio > Sodio > Litio. Justificación: Al descender en el grupo, aumenta el número de capas electrónicas, lo que incrementa el radio atómico y el efecto pantalla. Esto debilita la atracción electrostática entre el núcleo positivo y el único electrón de valencia más externo, facilitando su pérdida y haciendo que la reacción sea más vigorosa. Por lo tanto, el potasio (con mayor radio y menor energía de ionización) es el más reactivo de los tres, seguido por el sodio y luego el litio. Reacción del magnesio con agua y ácido: El magnesio reacciona muy lentamente o de forma despreciable con agua fría porque se forma una capa protectora insoluble de óxido de magnesio (MgO) o hidróxido en su superficie, y por su menor reactividad en comparación con los metales alcalinos. Sin embargo, reacciona vigorosamente con ácidos diluidos porque los iones hidrógeno (H⁺) del ácido disuelven la capa de óxido y atacan directamente al metal, permitiendo que la reacción avance y produzca gas hidrógeno y una sal soluble.

12.º grado / Nivel universitario

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

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

• Detector de conductividad eléctrica (DCE)
• Pinzas
• Papel de esmeril
• 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
• Cinc (s)
• Azufre
• Silicio (s)
• Hierro (s)
• Cable(s)
• Litio (s)
• Sodio (s)
• Potasio (s)
• Magnesio (s)
• Calcio (s)