¿Qué son los vidrios metálicos y cuál es su uso?

El caso de un sólido amorfo, que a demás esté compuesto por átomos de un elemento metálico, se conoce también como vidrio metálico. Los vidrios metálicos tienen importancia industrial debido a sus propiedades mecánicas y que son materiales que tienen una alta resistencia mecánica, aunque tienen una baja tolerancia a la fatiga. En cuanto a sus propiedades magnéticas, son fácilmente magnetizables ya que la falta de cristalinidad permite que las paredes de dominio se trasladen con más facilidad. Estas propiedades (en particular, las mecánicas) hacen que los vidrios metálicos sean utilizados en la industria de la aviación.

Cristales Metálicos: Definición y propiedades

Q: ¿Cuáles son los cristales metálicos y algunos ejemplos?

Los cristales metálicos son un tipo de sólido cristalino, por lo que su estructura se organiza en una red cristalina. En los sólidos metálicos, la red cristalina está formada por iones positivos y electrones libres que también se conocen como un mar de electrones deslocalizados. Algunos ejemplos comunes de sólidos metálicos son: el aluminio (Al) metálico y el potasio (K) metálico. El aluminio (Al) es un metal del grupo 13 (también llamado IIIA en algunas tablas periódicas). Tiene un punto de fusión elevado de 660,32 °C y una estructura cristalina cúbica centrada en la cara. El potasio (K) es un metal del grupo 1 y tiene un punto de fusión de 63,38 °C. El potasio tiene una estructura de red cristalina cúbica centrada en el cuerpo.

Por ejemplo, tu reloj tiene componentes metálicos y tu sartén, también.

Si tienes una pieza de joyería hecha de plata pura u oro, ¡tienes un sólido metálico en tus manos!

En primer lugar, definiremos los sólidos metálicos.
A continuación, hablaremos de las diferentes propiedades de los sólidos metálicos.
Por último, definiremos y explicaremos qué son las aleaciones metálicas y qué las diferencia de los sólidos metálicos.

¿Qué es un sólido metálico?

Los sólidos metálicos son exactamente lo que su nombre indica: un sólido formado únicamente por átomos de metal. Piénsalo como un club exclusivo de solo metales: solo puedes ser miembro de este club si estás hecho completamente de átomos de metal.

Los sólidos metálicos son compuestos formados íntegramente por átomos de metal, que se mantienen unidos mediante enlaces metálicos.

El enlace metálico es un tipo de fuerza de atracción intramolecular, que se produce entre una red de iones positivos y un mar de electrones deslocalizados.

¿Necesitas un repaso de los enlaces metálicos?: consulta nuestro artículo titulado Enlace metálico.

Estructura de los sólidos metálicos

Cuando se trata de sólidos, hay dos categorías que debes recordar: los sólidos amorfos y los sólidos cristalinos.

Estructuras amorfas (sólidos amorfos)

A diferencia de otros tipos de sólidos, los sólidos amorfos no tienen una forma estructurada; por esto, lucen desordenados. Los sólidos amorfos son frágiles y pueden conducir la electricidad.

Un buen ejemplo de un sólido amorfo es el vidrio, que está hecho de silice y diferentes sustancias, como B₂O₃ o K₂O. Para sintetizar vidrio, primero necesitamos que los componentes sean calentados hasta superar sus puntos de ebullición y, luego que, se enfrían rápidamente.

El caso de un sólido amorfo, que además esté compuesto por átomos de un elemento metálico, se conoce también como vidrio metálico.

Los vidrios metálicos tienen importancia industrial, debido a sus propiedades mecánicas: dada su falta de estructura periódica, son materiales que tienen una alta resistencia mecánica, aunque tengan una baja tolerancia a la fatiga.
En cuanto a sus propiedades magnéticas, son fácilmente magnetizables, ya que la falta de cristalinidad permite que las paredes de dominio se trasladen con más facilidad.

Estas propiedades, en particular las mecánicas, hacen que los vidrios metálicos sean utilizados en la industria de la aviación.

Estructuras cristalinas (sólidos cristalinos)

Los sólidos cristalinos son los que tienen una estructura bien organizada, a diferencia de los sólidos amorfos.

Los sólidos metálicos son un tipo de sólido cristalino, por lo que su estructura se organiza en una red cristalina. Esta red cristalina está formada por iones positivos y electrones libres, que también se conocen como un mar de electrones deslocalizados.

¿Qué significa esto exactamente? Veamos un dibujo que muestra la estructura de la red de un metal de sodio (Na).

Cristales Metálicos Sodio StudySmarter Fig. 1- Sodio Metal.

Fíjate en que hay muchos electrones libres que rodean a los átomos de sodio, y las fuerzas de atracción entre los cationes Na⁺ y el mar de electrones deslocalizados son las que mantienen muy juntos a estos átomos metálicos idénticos.

Ejemplos de sólidos metálicos

Algunos ejemplos comunes de sólidos metálicos son el aluminio (Al) metálico y el potasio (K) metálico:

El aluminio (Al) es un metal del grupo 13 (también llamado IIIA en algunas tablas periódicas). Tiene un punto de fusión elevado de 660,32 °C y una estructura cristalina cúbica centrada en la cara.

El potasio (K) es un metal del grupo 1 y tiene un punto de fusión de 63,38 °C. El potasio tiene una estructura de red cristalina cúbica centrada en el cuerpo.

¿No está seguro de lo que significa una estructura de red cúbica centrada en la cara o en el cuerpo? ¡No te preocupes, no vas a necesitar saberlo para la selectividad!

Propiedades de los sólidos metálicos

Antes de entrar en las propiedades de los sólidos metálicos, repasemos la tendencia periódica de los metales:

Recuerda que, excepto el mercurio (Hg), los metales son sólidos a temperatura ambiente.

Los metales del grupo I se conocen como metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)
Los metales del grupo II se denominan metales alcalinotérreos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)
Los grupos 3-12 contienen muchos metales de transición, como Fe, Cu, Ag y Au.
Los grupos 13-16 también tienen algunos metales llamados metales de post-transición o metales pobres (Al, Ga, In, Tl, Pb, Sn, Bi y Po).

Cristales metálicos Metales no metales y metaloides StudySmarter Fig. 3- Tabla periódica de los elementos que muestra los metales, no metales y metaloides

Carácter metálico de los sólidos metálicos

Podemos describir los elementos como buenos o malos metales, en función de su carácter metálico; también, por cuánto siguen las propiedades de los metales. En la tabla periódica, los caracteres metálicos tienden a aumentar de derecha a izquierda, y hacia abajo en un grupo —algo así como la electronegatividad, si lo recuerdas—.

¿Tal vez estén relacionados de alguna manera? Pista: ¡Sí!

La mejor manera de recordar la tendencia periódica de los caracteres metálicos es viendo un ejemplo.

¿Cuál de los siguientes metales tendrá el carácter metálico más fuerte: Cs, Ba, Fe o Na?

Observando la tabla periódica, ahora sabemos que los elementos que están a la izquierda y abajo de la tabla mostrarán un carácter metálico más fuerte. En este caso, el Cs tendrá el carácter metálico más fuerte, y el orden de carácter metálico creciente sería: Fe < Ba < Na < Cs

Las propiedades generales de los sólidos metálicos son:

Altos puntos de fusión
Buena conductividad
Ductilidad y maleabilidad
Son lustrosos (brillantes)

Vamos a desglosar cada una de estas propiedades, para entenderlas mejor.

Punto de fusión de los cristales metálicos

Cuando se funde un cristal metálico, su red cristalina se rompe y las moléculas pasan al estado líquido.

El punto de fusión es la temperatura a la que un sólido se convierte en líquido. Cuando un sólido alcanza su punto de fusión, la temperatura se mantiene constante, hasta que el sólido cristalino se funde completamente y se convierte en líquido.

Aunque los sólidos metálicos suelen tener puntos de fusión altos, algunos de ellos (como los metales alcalinos —grupo 1—), tienen en realidad puntos de fusión bajos. Los sólidos metálicos tienen puntos de fusión distintos para cada metal.

¿Sabías que el metal Tungsteno tiene uno de los puntos de fusión más altos conocidos por los químicos? El punto de fusión de una red cúbica centrada en el cuerpo del tungsteno es de unos 3400 °C; mientras que otro metal, el mercurio, ya es un líquido a -38 °C. Además, entre los sólidos metálicos se puede encontrar, básicamente, cualquier cosa intermedia, ya que tienen puntos de fusión muy diversos.

Conductividad de los sólidos metálicos

Los sólidos metálicos son buenos conductores de la electricidad y el calor, debido a sus electrones deslocalizados, que pueden moverse libremente y transmitir cargas eléctricas.

La conductividad eléctrica es la capacidad de conducir la electricidad.
La conductividad térmica es la capacidad de transferir calor.

La capacidad de los cristales metálicos para conducir el calor es la razón por la que la mayoría de los utensilios de cocina están hechos de algún tipo de metal, ya que sus electrones deslocalizados pueden adquirir y transferir el calor más rápidamente.

Un experimento muy interesante realizado por científicos demostró que si se añade una gota de una mezcla de sodio (Na) y potasio (K) al agua (H₂O), ¡el agua se convertirá en un material metálico de color dorado! Esto sucede porque tomará prestado el electrón más externo de ambos metales del grupo 1.

Ductilidad y maleabilidad de los sólidos metálicos

Los sólidos metálicos se consideran maleables y dúctiles.

Un metal maleable es un metal que puede moldearse en láminas finas.
Un metal dúctil es un metal que puede moldearse en diferentes formas (como un alambre), sin romperse.

¿Por qué el cobre (Cu) es una gran elección de metal para hacer el cableado eléctrico? Por la capacidad del cobre de conducir la electricidad y, también, porque es dúctil y puede moldearse en forma de cable.

Por ejemplo, el oro puede martillearse en finas hojas de oro, que se utilizan mucho en decoración. Y, por si esto no fuera lo suficientemente interesante, ahora puedes incluso comprar láminas de oro para utilizarlas la próxima vez que cocines tu plato favorito.

Lustre

¿Por qué brillan los metales? De nuevo, todo se reduce a los electrones deslocalizados que los sólidos metálicos tienen en su estructura. Los metales son lustrosos (brillantes) porque los electrones deslocalizados pueden reflejar la luz.

Aleaciones metálicas

Se denomina aleación a una sustancia formada por una mezcla de elementos y que tiene propiedades metálicas.

Cuando se combinan diferentes metales, se crea una aleación metálica, que también tiene enlace metálico. Las aleaciones pueden ser intersticiales o sustitutivas.

Las aleaciones intersticiales son las que se forman entre elementos de distinto radio. Estas aleaciones tienen una red más rígida, son menos dúctiles y también menos maleables en comparación con los sólidos metálicos. Un ejemplo común de aleación intersticial es el acero, que se compone de metales de carbono y hierro.

Las aleaciones sustitutivas son aleaciones que se forman entre metales de radios muy similares. Debido a los tamaños similares, algunos de los átomos de metal presentes inicialmente son sustituidos por otro átomo de metal. Un ejemplo común de aleación sustitutiva es el latón, que está formado por átomos de cobre y zinc. En el latón, los átomos de cobre son sustituidos por átomos de zinc.

Nuevos materiales metálicos

Los registros históricos nos ha demostrado que las diferentes combinaciones de elementos metálicos permiten el descubrimiento de materiales con propiedades cada vez más duraderas, fuertes y tolerantes al desgaste. Por eso, han sido uno de los pilares que han impulsado el desarrollo de la sociedad —desde dispositivos tecnológicos de tamaños imperceptibles para el ojo humano, hasta las estructuras de monumentos que han permanecido erguidos por décadas, como la torre Eiffel en París o la estatua de la libertad en Estados Unidos—.

Las principales propiedades que se pretende mejorar con el descubrimiento de nuevos materiales metálicos son propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y fácil disponibilidad de los elementos constituyentes. Para lograr esta mejora, los científicos buscan crear materiales a partir de diferentes concentraciones de sus elementos base y la organización de diferentes maneras de la estructura cristalina del material (cambios de fase en estado sólido).

Algunos de los materiales metálicos que se han desarrollado desde el siglo XVIII son: el acero, las aleaciones de aluminio y las superaleaciones.

Cristales Metálicos - Puntos clave

Los sólidos metálicos son compuestos formados en su totalidad por átomos de metal que se mantienen unidos mediante enlaces metálicos.
Forman cristales metálicos, ya que tienen una estructura bien organizada.
Los enlaces metálicos se producen entre una red de iones positivos y un mar de electrones deslocalizados.
Los sólidos metálicos son lustrosos, buenos conductores de la electricidad y el calor, son maleables, dúctiles y suelen tener puntos de fusión elevados.

Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M., & Lufaso, M. W. (2018). Química: La ciencia central (13ª ed.). Harlow, Reino Unido: Pearson.

Swanson, J. W. (2020). Everything you need to Ace Chemistry in one big fat notebook. Workman Pub.

Malone, L. J., Dolter, T. O., & Gentemann, S. (2013). Conceptos básicos de química (8ª ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.

https://media.nature.com/original/magazine-assets/d41586-021-02065-w/d41586-021-02065-w.pdf

¹Mijangos, C., Serafín, J. (2007). Nuevos materiales en la sociedad del siglo XXI. Consejo Superior de Investigaciones Científicas.

Cristales Metálicos

Equipo editorial StudySmarter

¿Qué es un sólido metálico?