Tema 46

Los metales constituyen aproximadamente el 80 % de los elementos químicos y han dado nombre a etapas enteras de la historia (Edad del Cobre, del Bronce, del Hierro). Su importancia científica, tecnológica y económica es difícil de exagerar: sostienen la construcción, el transporte, la electrónica y la producción de energía. Comprender los metales exige integrar contenidos de enlace químico, tabla periódica, reacciones redox y electroquímica, por lo que este tema actúa como síntesis de buena parte de la química inorgánica que el alumnado ha ido construyendo.

En el temario oficial (Orden de 9 de septiembre de 1993) este tema se sitúa en el bloque de química descriptiva de los elementos. Aquí se establecen las características de los metales y su variación por grupos, los métodos de obtención (metalurgia y electrometalurgia), sus propiedades físicas y químicas, los compuestos que forman y sus aplicaciones, las aleaciones y, finalmente, el interés económico de algunas de ellas. El hilo conductor es una idea unificadora: casi toda la química de los metales se explica por su tendencia a ceder electrones, es decir, por su carácter reductor.

1. Los metales y las características de los diferentes grupos

Posición en la tabla periódica y enlace metálico

Los metales ocupan la parte izquierda y central del sistema periódico. Se distinguen de los no metales por una línea escalonada (del boro al ástato) junto a la que se sitúan los semimetales o metaloides (B, Si, Ge, As, Sb, Te), de propiedades intermedias. Por bloques encontramos:

• Bloque s: metales alcalinos (grupo 1) y alcalinotérreos (grupo 2).
• Bloque d: metales de transición (grupos 3 a 12).
• Bloque f: metales de transición interna (lantánidos y actínidos).
• Bloque p: metales de posttransición (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi).

La cohesión de un metal se explica por el enlace metálico. En el modelo del mar de electrones (Drude), los átomos ceden sus electrones de valencia a un “gas” deslocalizado que baña a los cationes ordenados en una red compacta. Una descripción más rigurosa la da la teoría de bandas: los orbitales atómicos se combinan en bandas de energía casi continuas; en los metales la banda de valencia está parcialmente ocupada o se solapa con la de conducción, de modo que los electrones pueden moverse libremente bajo un campo eléctrico. Este modelo explica de un solo golpe la conductividad, el brillo y la maleabilidad.

Propiedades periódicas y carácter metálico

El carácter metálico aumenta al descender en un grupo y disminuye al avanzar a lo largo de un periodo. Se correlaciona con baja energía de ionización y baja electronegatividad: por eso los metales pierden electrones con facilidad y forman cationes. Los átomos con pocos electrones de valencia y radios grandes son los más metálicos (de ahí que el francio y el cesio encabecen la serie).

Características por grupos

• Grupo 1 — metales alcalinos ($ns^1$: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr). Muy blandos (se cortan con espátula), de baja densidad y bajo punto de fusión. Son los metales más reactivos; forman siempre cationes $+1$ y reaccionan violentamente con el agua:

• Grupo 2 — metales alcalinotérreos ($ns^2$: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). Más duros, densos y con puntos de fusión más altos que los del grupo 1. Forman cationes $+2$. Su reactividad crece al bajar en el grupo.

• Metales de transición (bloque d). Presentan estados de oxidación variables (por participación de los electrones $d$), forman compuestos coloreados y numerosos complejos de coordinación, muchos son paramagnéticos o ferromagnéticos (Fe, Co, Ni) y actúan como catalizadores. Tienen densidades y puntos de fusión elevados (el wolframio funde a $3422\ \mathrm{^{\circ}C}$).

• Transición interna (bloque f). Lantánidos y actínidos; química muy similar dentro de cada serie por la escasa influencia de los electrones $f$ internos (contracción lantánida). Incluyen las “tierras raras”, hoy estratégicas.

• Metales de posttransición (bloque p). Al, Sn, Pb, Bi: más blandos, con puntos de fusión más bajos y cierto carácter covalente en sus enlaces.

2. Obtención y propiedades de los metales

Obtención: la metalurgia

Salvo los metales muy poco reactivos, que aparecen nativos (Au, Pt, a veces Ag y Cu), la mayoría se encuentran combinados en minerales: óxidos ($\mathrm{Fe_2O_3}$, $\mathrm{Al_2O_3}$), sulfuros ($\mathrm{ZnS}$, $\mathrm{PbS}$), carbonatos ($\mathrm{CaCO_3}$), halogenuros ($\mathrm{NaCl}$) o silicatos. La metalurgia comprende las etapas de extracción, concentración del mineral (flotación, separación magnética), reducción del catión metálico a metal y refinado o afino. La etapa clave es la reducción, y su método depende de la reactividad del metal:

• Pirometalurgia (reducción con carbono a alta temperatura). Es la vía del hierro en el alto horno, donde el reductor real es el monóxido de carbono:

Los sulfuros se tuestan primero para pasarlos a óxido:

• Reducción aluminotérmica (termita). El aluminio, muy ávido de oxígeno, reduce óxidos de otros metales con gran desprendimiento de calor:

• Electrometalurgia (electrólisis). Imprescindible para los metales muy reactivos, que el carbono no puede reducir. El aluminio se obtiene por el proceso Hall–Héroult, electrolizando $\mathrm{Al_2O_3}$ disuelto en criolita fundida ($\mathrm{Na_3AlF_6}$). En el cátodo:

y el proceso global (con ánodos de carbono que se consumen) puede escribirse $2\,\mathrm{Al_2O_3} + 3\,\mathrm{C} \rightarrow 4\,\mathrm{Al} + 3\,\mathrm{CO_2}$. El sodio se obtiene por electrólisis de $\mathrm{NaCl}$ fundido en la célula de Downs ($2\,\mathrm{NaCl} \rightarrow 2\,\mathrm{Na} + \mathrm{Cl_2}$). Fue Humphry Davy quien aisló por electrólisis Na, K, Ca, Mg y Ba a principios del siglo XIX.

• Hidrometalurgia. Lixiviación del mineral en disolución y posterior reducción; por ejemplo, la cementación del cobre con hierro:

La viabilidad termodinámica de cada reducción se analiza con los diagramas de Ellingham, que representan la energía de Gibbs de formación de los óxidos frente a la temperatura.

Propiedades físicas

Se explican por el enlace metálico y la teoría de bandas:

• Brillo metálico: los electrones libres reemiten la luz incidente.
• Alta conductividad eléctrica y térmica: portada por los electrones deslocalizados; disminuye al aumentar la temperatura.
• Maleabilidad y ductilidad: los planos de cationes deslizan sin romper el enlace, pues el mar electrónico se readapta.
• Densidad y puntos de fusión altos (especialmente en los de transición); son sólidos a temperatura ambiente salvo el mercurio, líquido.

Propiedades químicas

Los metales son agentes reductores: se oxidan cediendo electrones. Su reactividad se ordena en la serie electroquímica según el potencial normal de reducción $E^{\circ}$ (cuanto más negativo, más reductor):

De ahí se derivan sus reacciones características:

• Con oxígeno, formando óxidos básicos: $2\,\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{MgO}$.
• Con ácidos (los situados por encima del hidrógeno), liberando $\mathrm{H_2}$: $\mathrm{Zn} + 2\,\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{ZnCl_2} + \mathrm{H_2}$.
• Con agua (alcalinos y alcalinotérreos), dando hidróxidos e hidrógeno.
• Con halógenos, formando halogenuros iónicos.

3. Compuestos que originan y aplicaciones

Por su carácter electropositivo, los metales forman compuestos mayoritariamente iónicos, en los que aportan el catión.

• Óxidos metálicos ($\mathrm{Na_2O}$, $\mathrm{CaO}$, $\mathrm{Fe_2O_3}$): son óxidos básicos; con agua dan hidróxidos: $\mathrm{CaO} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{Ca(OH)_2}$.
• Hidróxidos ($\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{Ca(OH)_2}$): bases fuertes o moderadas, esenciales en la industria química (sosa cáustica, cal apagada).
• Sales ($\mathrm{NaCl}$, $\mathrm{CaCO_3}$, $\mathrm{CuSO_4}$): proceden de la neutralización ácido–base y son omnipresentes en la naturaleza y la industria.
• Compuestos de coordinación de los metales de transición, en los que el catión actúa como ácido de Lewis (por ejemplo, $[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$), base de la catálisis, la bioquímica (hemoglobina, clorofila) y los pigmentos.

Algunas aplicaciones representativas: el hierro y el acero en construcción y maquinaria; el aluminio en aeronáutica, envases y conducciones; el cobre en el cableado eléctrico por su altísima conductividad; el oro y la plata en electrónica de precisión, joyería y reservas; el litio en las baterías recargables; el titanio, ligero y biocompatible, en prótesis e implantes; el wolframio en filamentos y herramientas de corte por su elevadísimo punto de fusión.

4. Aleaciones

Una aleación es un material con propiedades metálicas formado por la unión íntima de dos o más elementos, de los cuales al menos uno es un metal. Estructuralmente suele ser una disolución sólida, que puede ser:

• Sustitucional: los átomos de soluto reemplazan a los del disolvente en la red (requiere radios y estructuras similares; p. ej. Cu–Ni, latón).
• Intersticial: átomos pequeños se alojan en los huecos de la red (p. ej. el carbono en el hierro para dar acero).

Las aleaciones se preparan por fusión y solidificación controladas; su comportamiento se estudia con diagramas de fases, en los que destacan puntos notables como el eutéctico (mezcla de menor punto de fusión). Frente al metal puro, la aleación suele mejorar dureza, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión o rebajar el punto de fusión. Ejemplos clásicos:

• Acero (Fe + C, <2 % C): base de la industria; Henry Bessemer revolucionó su producción masiva en 1855.
• Acero inoxidable (Fe–Cr–Ni): resistente a la corrosión gracias a la capa pasiva de óxido de cromo.
• Bronce (Cu–Sn) y latón (Cu–Zn): resistentes y de buena mecanizabilidad.
• Duraluminio (Al–Cu–Mg): ligero y resistente, para estructuras aeronáuticas.
• Soldadura blanda (Sn–Pb, hoy Sn–Ag–Cu sin plomo) y amalgamas (aleaciones con mercurio).

5. Interés económico de algunas de ellas

El valor económico de los metales y sus aleaciones deriva tanto de sus propiedades como de su disponibilidad y del coste energético de su obtención.

• El acero es el material estructural por excelencia: su producción anual (más de 1800 millones de toneladas) es un indicador del desarrollo industrial. Su bajo coste y su reciclabilidad (la chatarra se refunde indefinidamente) lo hacen insustituible.
• El aluminio compite con el acero donde importa la ligereza (transporte, envases). Aunque su obtención primaria es muy intensiva en energía, su reciclado consume solo el $\sim 5\ \%$ de esa energía, lo que le da gran valor circular.
• El cobre es termómetro de la economía por su uso en electrificación e infraestructuras; su demanda crece con la transición energética.
• El litio y las tierras raras se han vuelto materiales críticos: imprescindibles para baterías, imanes permanentes y electrónica, con reservas geográficamente concentradas y por ello con implicaciones geoestratégicas. La Unión Europea publica listas periódicas de materias primas críticas.
• Los metales preciosos (Au, Ag, Pt) conservan valor como reserva, en catálisis y en electrónica.

La sostenibilidad exige hoy priorizar la economía circular: minería responsable, eficiencia energética en la obtención y, sobre todo, reciclaje, pues los metales no se destruyen y su recuperación ahorra energía y materia prima.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de este tema se distribuyen a lo largo de la etapa. En la ESO, los metales aparecen al estudiar la clasificación de la materia (elementos, tabla periódica), el enlace químico y las reacciones químicas, con especial presencia en 3.º y 4.º de ESO (enlace metálico, reactividad, oxidación y corrosión). En Bachillerato, la química de 2.º profundiza en el enlace metálico y la teoría de bandas, y sobre todo en las reacciones redox y la electroquímica (pilas, electrólisis, obtención de metales), donde este tema encuentra su marco cuantitativo.

Es un contenido idóneo para la competencia STEM y para diseñar situaciones de aprendizaje en contextos reales: el reciclaje de metales, la corrosión del hierro y su prevención, o la construcción de pilas sencillas (Daniell, pila de limón). El enfoque de indagación permite conectar propiedades, obtención y usos.

Conviene anticipar ideas previas y errores frecuentes: creer que una aleación es un compuesto cuando es una mezcla (disolución sólida); pensar que todos los metales reaccionan con el agua o con los ácidos (el oro y el platino no lo hacen); confundir oxidación con combustión; suponer que al oxidarse un metal “desaparece” masa, cuando en realidad la corrosión incorpora oxígeno y aumenta la masa; o identificar la conductividad únicamente con los cables sin relacionarla con la estructura del enlace. El trabajo experimental y la interpretación de la serie electroquímica resultan muy eficaces para corregir estas concepciones.

Conclusión

Los metales se comprenden a partir de una idea central —su tendencia a ceder electrones— que enlaza el enlace metálico, la posición en la tabla periódica y su comportamiento como reductores. De ella se derivan tanto sus propiedades (brillo, conductividad, maleabilidad) como los métodos de obtención, que escalan en energía según la reactividad del metal, desde la reducción con carbono hasta la electrólisis. Los compuestos que originan (óxidos básicos, hidróxidos, sales y complejos) y las aleaciones amplían enormemente su utilidad práctica, mientras que su interés económico los sitúa en el centro del desarrollo industrial y de la actual transición energética. El tema integra así química descriptiva, redox y electroquímica, y ofrece un contexto privilegiado para mostrar la conexión entre estructura, propiedades y aplicaciones de la materia.