Tema 19.1. ELEMENTOS METÁLICOS. CARACTERÍSTICAS GENERALES

Tema 19.2. ELEMENTOS METÁLICOS. REACTIVIDAD

Tema 19. ELEMENTOS METÁLICOS

J. Isasi

TEMA 19.1. ELEMENTOS METÁLICOS. CARACTERÍSTICAS GENERALES

Situación de los metales en la tabla periódica.

Estructura de los metales.

Enlace en los metales.

Propiedades físicas de los metales.

Son metales 3/4

partes de elementos

de la

tabla periódica

Elementos del bloque s

METALES

Lantanoides, lantánidos

o tierras raras

Actinoides o actínidos

Alcalinos

Alcalinotérreos

Metales de transición Elementos del bloque d

Elementos pesados de la serie p

Elementos de transición interna

J. ISASI

Li

Na

K

BaCs

Rb Sr

Ca Sc

Y

RfAc

La

Ti

Hf

Zr

V

Nb

SgDb

Ta

Cr

W

Mo

Mn

Tc

HsBh

Re

Fe

Os

Ru

Co

Rh

UunMt

Ir

Ni

Pt

Pd

Be

Cu

Ag

UubUuu

Au

Zn

Hg

Cd

Ga

UuqUut

In

Pb

Sn

P

As

Sb

UuhUup

Bi Po

Te

Cl

Br

I

UuoUus

At Rn

Xe

PaTh

Ce Pr

NpU

Nd Pm

AmPu

Sm Eu

BkCm

Gd Tb

EsCf

Dy Ho

Fr Ra

Al C

ON LiF

Tl

He

MdFm

Er Tm

LrNo

Yb Lu

C

Ge

O

S

Se

He

Ne

Ar

Kr

H

Be

Mg

B C

SiSi

Ge

SITUACIÓN DE LOS METALES

Elevado número de elementos metálicos. Prácticamente todos polimorfos

No obstante, el número de estructuras cristalinas diferentes es reducido

Ag

AlFe

Au Cu

ESTRUCTURADE LOS METALES

El claro incremento del índice de coordinación origina redes

compactas con estructuras que pueden describirse a partir

del modelo de empaquetamiento compacto de esferas rígidas

Descripción muy interesante a la hora de explicar algunos de los tipos

estructurales adoptados por los compuestos de los elementos metálicos.

Li

Na

K

BaCs

Rb Sr

Ca Sc

Y

RfAc

La

Ti

Hf

Zr

V

Nb

SgDb

Ta

Cr

W

Mo

Mn

Tc

HsBh

Re

Fe

Os

Ru

Co

Rh

UunMt

Ir

Ni

Pt

Pd

Be

Cu

Ag

UubUuu

Au Hg

Ga

Uut

In

PaTh

Ce Pr

NpU

Nd Pm

AmPu

Sm Eu

BkCm

Gd Tb

EsCf

Dy Ho

Fr Ra

Al

MdFm

Er Tm

LrNo

Yb Lu

Be

Mg

bccccphcp

Estructuras de los elementos metálicos a temperatura ambiente.Los elementos con estructuras más complejas se muestran en color gris

Zn

Tl

Cd

d,

METAL: Conjunto de átomos que forman una estructura ordenada en tres dimensiones

Caras

Átomos: Representados como esferas de diámetro fijo.

Número de coordinación: número de vecinos más cercanos.

Indica cómo de empaquetados se encuentran los átomos.

Estructura: Forma geométrica de representar los átomos constitutivos

de un metal que se encuentran espacialmente ordenados.

Conceptos a tener en cuenta:

➢ Geométricamente puede ser representada por un paralepípedo.

➢ La geometría de la celda es descrita en términos de unos

parámetros de red:

1. La longitud de las tres aristas del paralelepípedo (a, b y c)

2. Los tres ángulos entre las aristas( α, β y γ)

Ceda unidad: grupo de átomos que al repetirse en todas las

direcciones regeneran la estructura metálica completa.

b

a

cy

z

x

Conceptos a tener en cuenta:

Cúbica centrada

en las carasCúbica simple

Cúbica centrada

en el cuerpo

Empaquetamiento

compacto de esferas iguales

Mínimo espacio vacío posible

AB-ABAB-AB

ABC-ABC

ESTRUCTURA DE UN METAL

Cúbica:

α = β = γ = 90º

a= b = c

Celda unidad cúbica

centrada en las carasCapas:

EMPAQUETAMIENTO CÚBICO COMPACTO

em

paq

ueta

mie

nto

cú

bic

o c

om

pacto

nc = 12

Eje 3

Eje 3

Máximo número de esferas tangentes a una

dada desde el punto de vista geométrico.

Celda unidad hexagonal

Hexagonal:

α = β = 90º

γ = 120º

a = b = c

Capas:

EMPAQUETAMIENTO HEXAGONAL COMPACTO

El eje senario del prisma es perpendicular

a los planos de los átomos.

nc = 12em

paq

ueta

mie

nto

hexag

on

al co

mp

acto

También es compacta: 1 átomo se rodea de 8pero menos compacta que si fuera nc = 12

Se da en menor proporción aunque existen metales con este empaquetamiento

nc = 8

EMPAQUETAMIENTO CÚBICO CENTRADO EN EL CUERPO

Alta densidad relativa

El conjunto de los tres empaquetamientos indicados representan

alta coordinación

característica del enlace metálico

IC = 6IC 6nc = 6

A CONTINUACION, SE ESTUDIAN CONTENIDOS A TENER EN

CUENTA CUANDO SE CONSIDERAN EMPAQUETAMIENTOS.

ESTOS CONTENIDOS RESULTAN DE APLICACION AL ESTUDIAR

LOS COMPUESTOS DE LOS ELEMENTOS METALICOS.

Por cada esfera situada en el centro de la celdilla: 1

Por cada esfera situadas en una cara de la celdilla: 1/2

Las esferas situadas en las aristas de la celdilla: 1/4

Las esferas situadas en los vértices de la celdilla: 1/8

Empaquetamiento cúbico compacto:

Átomo verde: 8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4

Átomo violeta: 12 x 1/4 (en centro de aristas) + 1 (en centro del cubo) = 4

Cálculo del número de esferas de la red por celda unidad

Huecos en una aglomeración compacta

Número de huecos octaédricos = número de esferas de la red = 4

Número de huecos tetraédricos = 2 x número de huecos octaédricos = 8

ho

htht

Posición de los huecos en un empaquetamiento

cúbico compacto

a

b

c

Aristas paralelas eje a

Número de esferas/celda = Número de ho

Posición de los huecos en un

empaquetamiento cúbico compacto

Aristas paralelas eje bNúmero de esferas/celda = Número de ho

Posición de los huecos en un

empaquetamiento cúbico compacto

Número de esferas/celda = 3 + 2 x ½ + 12 x 1/6 = 6 = número de ho

Posición de los huecos en un empaquetamiento

hexagonal compacto

Número de esferas/celda = 3 + 2 x ½ + 12 x 1/6 = 6 = número de ho

Posición de los huecos en un

empaquetamiento hexagonal compacto

Número de ht = 2 x N = 2 x 6 = 12

Número de ht = (4 + 2 + 2) huecos dentro de la celda + (6 x 2) 12 aristas /3 celdillas (4 huecos) = 12

Posición de los huecos en un

empaquetamiento cúbico compacto

Factor de empaquetamiento (F.E.)

Espacio ocupado por los átomos en una celda unidad

F. E. = Volumen de átomos/Volumen de celda unidad

F. E. = n 4/3 r3/ Vcelda unidad n = 1, 2, 4 átomos

V celdas unidad = a3 = [2r]3, [(4r)/ 3]3, [(4r)/ 2]3

r = radio atómico

Cálculo del porcentaje de empaquetamiento

Empaquetamiento cúbico compacto

4r

(4r)2 = (a)2 + (a)2

Densidad = nº de átomos (p.a./6.023 x 1023) (g/átomo)/volumen celda unidad

F. E = 4 x 4/3 r3/(4r/2)3 = 74%

4r

a

aa

4r4r

aa

a

a = (4r)/ 2

BCC HCP CCP

Eficacia de

empaquetamiento(%) 68 74 74

Número de coordinación 8 12 12

Contenido de la celda (Z) 2 6 4

Huecos N octaédricos

+

2N tetraédricos

Características de los diferentes empaquetamientos

Po

Estructura Arista (a) Átomos Número de Factor de Metales

en función de r por celda coordinación empaquetamiento típicos

Cúbica simple a= 2r 1 6 0.52 Po

Cúbica centrada

en el cuerpo a = (4r)/ 3 2 8 0.68 Fe, Na, Cr, Zr

Cúbica centrada

en las caras a = (4r)2 4 12 0.74 Fe, Cu, Au, Ni

Hexagonal a= 2r

c= 1.633a 6 12 0.74 Ti, Mg, Cd, Zn

Características de diferentes metales

El Cu buen conductor de la corriente eléctrica

Au y Ag son buenos conductores también pero demasiado

costosos para utilizarlos comercialmente

➢ Teoría del gas electrónico (Drude, 1900; Lorentz, 1923).

➢ Teoría del enlace de valencia (Griffith, 1956; Pauling, 1958)

➢ Teoría unificada del estado sólido = Teoría de bandas de

energía (metales).

Poco desarrollo en su aplicación al enlace metálico

Deben explicar - La conductividad eléctrica - La alta conductividad térmica- El brillo y la capacidad de deformación (los electrones se redistribuyen)

Presión

El metal cambia de formapero no se rompe

TEORÍAS DEL ENLACE METÁLICO

Sólido = red de restos positivos inmersos en un mar de electrones de

valencia que son móviles.

¿Cuál es la característica de este metal que le permite

conducir fácilmente la corriente eléctrica?

V

Electrones deslocalizados

Electrones localizados

en los núcleos

TEORÍAS DEL GAS ELECTRÓNICO

➢ En cada choque el electrón cede parte de su energía al núcleoque vibra como un resorte alrededor de su posición.

➢ Estas vibraciones reflejan la energía perdida por las colisiones delos electrones con los núcleos y se manifiestan en forma de calor.

Al enfriar los conductores metálicos, el paso de los electrones no

localizados entre los núcleos encontrará menor resistencia.

Fluirán con mayor agilidad

Al paso de la corriente el metal se calienta

¿Esta disminución tiene un límite?

Permanece con un valor finito para

temperaturas arbitrariamente bajas

Para el Hg = 4.26 K

Para el Nb = 9.2 K

Temperatura (K)

Re

lati

va

re

sis

ten

cia

. 1

03

R/R

29

0K

5

4

3

2

1

04 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Por debajo de una cierta temperatura la resistencia que

opone el metal al paso de la corriente ya no disminuirá.

Pero según este modelo, la fuerza de los enlaces entre los átomos metálicos

debería aumentar a medida que lo hace el número de electrones de valencia

Se habrá de buscar otro modelo

Metal Sc Cr Ni

p.f. (ºC) 1541 1857 1455

Metal Y Mo Pd

p.f. (ºC) 1522 2617 1554

Metal La W Pt

p.f. (ºC) 918 3410 1772

Incremento en el punto de fusión

➢ Permite la interpretación de las principales propiedades metálicas.

➢ Permite la generalización a los sólidos (con independencia del tipo de enlace).

Los electrones que participan en el enlace electrones de valencia

ocupan orbitales del conjunto de todos los átomos.

Teoría unificada del estado sólido

TEORÍAS DE BANDAS DE ENERGÍA

1 = a + b orbital molecular enlazante

2 = a - b orbital molecular antienlazante

E E

TEORÍA DE ORBITALES MOLECULARES

2

1

2

1

La relación de Luis de Broglie sugiere que los electrones son ondas de materia

que deben mostrar propiedades ondulatorias, mientras que el principio de

incertidumbre de Heisenberg muestra la precisión limitada en la determinación

del momento y en la posición de un electrón. Cabe preguntarse entonces:

¿dónde se encuentran los electrones en los átomos?

RECORDEMOS EL SIGNIFICADO DE LA

FUNCIÓN DE ONDA

En 1927, el físico austriaco Erwin Schrödinger propuso que el movimiento de un

electrón o de cualquier otra partícula con propiedades de onda, podría ser descrito

por una ecuación matemática denominada función de onda ().

J. Isasi [coord.] Química general. Ensayos Virtuales. DEXTRA S. L. 2018

J. Isasi [coord.] Química general. Ensayos Virtuales. DEXTRA S. L. 2018

El sistema más sencillo que puede ser descrito por una función de onda es un sistema

unidimensional: partícula confinada en una caja que se mueve en una única dirección.

Ondas estacionarias de una partícula en una caja

monodimensional. Se muestran las tres primeras

funciones de onda y sus energías.

El modelo de una partícula en una caja ayuda a

entender el origen

de la cuantización de la energía.

J. Isasi [coord.] Química general. Ensayos Virtuales. DEXTRA S. L. 2018

Probabilidades de encontrar a una partícula en una caja monodimensional. Se muestran

los cuadrados de las tres primeras funciones de onda junto con sus energías.

En 1927, Schrödinger demostró que, en mecánica cuántica, las funciones

de onda de un sistema pueden obtenerse resolviendo la ecuación

En el sistema polar esférico los orbitales pueden expresarse:

(r, , ) = R(r) Y(, )

R(r) = función de onda radial

Y(, ) = función de onda angular.

Como cada orbital viene definido por tres números cuánticos,

conjunto de esos números cuánticos el que proporciona una

forma a las funciones R(r) y Y(, ).

J. Isasi [coord.] Química general. Ensayos Virtuales. DEXTRA S. L. 2018

F2, especie covalente: 1s22s22p5

7 electrones y 4 orbitales de valencia Li2, gas

2p

*2p

2py 2pz 2s 2s

*2s

*2s

ENLACE METÁLICO

Li3

Orbitales atómicos

4 Li

Orbitales moleculares

Li4

2s 2s 2s 2s

*2s

2sBanda: Conjunto de niveles de energía próxima.

Se forma por CLOA de manera que los orbitales

atómicos no participan en el enlace

Orbitales atómicos

n Li

Orbitales moleculares

Lin

2s

[ ]n

*2

2

Li4 // Lin

Las energías de los orbitales 2s no pueden ser degeneradas ya que

entonces no cumplirían las reglas de la mecánica cuántica.

E

Bandas

de

energía

n/2 mayoría antienlazantes

Orbitales intermedios

n/2 mayoría enlazantes

Lin

Interacción de orbitales 2s de ocho átomos de

litio para formar orbitales moleculares y *

r

E

2s

Interacción de orbitales 2s de dos átomos de

litio para formar orbitales moleculares y *

r

2s

2s 2s

E

FORMACIÓN DE BANDAS

Cuantos más electrones pasan a la

banda se produce un incremento en la energía del enlace metálico

Modelo simplificado ya que en realidad

los orbitales 2p también interaccionan

2s2s

r

E

Comienza en las capas electrónicas más externas, primeras perturbadas al unirse los átomos

A la distancia de equilibrio la formación de

bandas para las subcapas electrónicas más

próximas al núcleo puede no tener lugar.

1s

ro

2s

3s

2p

3p

Ener

gía

3p

3s

distancia interatómica

Efecto de la distancia interatómica sobre los niveles de energía atómica

y las bandas del sodio.

Si la interacción entre las bandas s y p es fuerte

(sucede en metales simples )

las bandas serán anchas y podrán traslaparse.

Cabe la posibilidad además de que existan discontinuidades entre las bandas adyacentes

Las energías situadas en estos gaps, en general, no son disponibles para la ocupación electrónica.

▓ A T = 0 K los electrones ocupan orbitales moleculares individuales de las

bandas de acuerdo con el principio "aufbau“ y como máximo se sitúan dos

electrones con espines opuestos en cada nivel.

▓ El orbital de mayor energía ocupado a 0 K se llama nivel de Fermi

(nº pequeño de electrones excitados en relación a los existentes en las bandas)

▓ Cuando la banda no está completamente llena, los electrones próximos al nivel

de Fermi pueden ser fácilmente promovidos a niveles superiores desocupados.

El resultado es que se vuelven móviles y el material es un conductor electrónico

E

T = 0 K

0 1Población

0 1Población

T > 0 K

E+

E-

Eg

Nivel de Fermi

➢ En el caso de metales simples no existe una banda ns y una np,

más bien una banda continua ns/np.

➢ En un cristal de n átomos esa banda ns/np contiene 4n niveles

de energía y puede albergar hasta 8n electrones.

➢ Los metales que no son de transición ni lantánidos tienen menos de 8n

electrones disponibles (n, 2n ó 3n).

Su banda está parcialmente llena y se requiere muy poca energía para

promover el salto entre niveles.

Estructura del metal

Metal

Orbitales

atómicos

4n niveles

ns

np

E

ALCALINOS

1e- = ne-

MetalOrbitales

atómicos

4n niveles

E

ALCALINOTÉRREOS

2e- = 2ne-

Las bandas pueden estar parcialmente ocupadas

Número de electrones de valencia < 2n

Las bandas pueden estar totalmente ocupadas:

número de electrones de valencia = 2n

Nivel de Fermi

(Llenado de n/2 niveles)(Llenado de n niveles)

ns

Nivel de Fermi

Tipos de estructuras de bandas

dependiente Energía de los orbitales atómicos participantes

np

n(n-1)d

ns/np

E

METALES DE

TRANSICIÓN

De los 5 orbitales atómicos d resulta una banda de

5n niveles que podría ser ocupada

por 2 x 5n electrones

E

BLOQUE

(Al, Ga, In Tl)

En un cristal de Al que contiene n átomos la banda s puede albergar

hasta 2n electrones.

La banda 3p puede aceptar 6n electrones pero, como el Al sólo tiene

un electrón en 3p/átomo, sólo habría n electrones en la banda.

De los 3 orbitales p degenerados no ocupados

resulta una banda de 3n niveles que podría

ocuparse por 6n electrones

n electrones

Metal

Metal

Orbitales

atómicos

Orbitales

atómicos

np

ns

La densidad de estados:ρ = número de niveles de energía en una región infinitesimal de la banda/por la anchura de esa región

ρ = niveles de energía comprendidos entre E y E + dE.

▓ La densidad de estados no es uniforme a lo largo de una banda porque los niveles de energía no están

igualmente compactados a lo largo de la banda.

▓ La densidad de estados es cero en el gap porque en esta zona no hay niveles de energía.

E

Banda Gap

Banda

Banda Gap

Banda

Banda

dE

s

p

DENSIDAD DE ESTADOS DE UN METAL

Densidad de estados

E

Densidad de estados

E

3d

4s-4p

Ti

Densidad de estados

E

3d

4s-4p

Cu

Densidad de estados

E

3d

4s-4p

Ni

Orbitales 4 d y 5d más difusos que 3d

y producen bandas más anchas

DENSIDAD DE ESTADOS DE UN METAL

ENLACE EN LOS METALES

DEPENDIENTE DE:

Para que los valores de los radios de los átomos sean comparables,

se utilizan las distancias correspondientes a números de coordinación 12

Radio metálico

2rMRadio atómico Energía del enlace

Al aumentar la energía de los

orbitales atómicosSolapamientos menos eficaces y disminuye la energía del enlace

Variación del radio atómico/Å

Al aumentar la carga nuclear efectiva a lo largo

de un periodo disminuye el radio atómico

-+

Radio metálico

Mínimo en la triada Ru-Rh-Pd

Máximos correspondientes

a los lantánidos

r (Ǻ)

Mg

Ca

Sc

Sr

Y / 1.82 Ǻ

Ba

La/ 1.87Ǻ

Ta

W

Re

Au /1.34 Ǻ

Ag/ 1.34 Ǻ

Cr

n = 2

n = 3

n = 4

n = 5

n = 6

n = 7

Os-Ir-Pt

2.4

2.2

2.1

2.0

1.8

1.4

1.3

1.21.0

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Na

Al

Rb

K

MnZn

Li

Be

Ti

Zr

In

Cs

Ce

EuYb

Hf

Pb

Ac

U

Pu

Mayor radio // enlace más débilGrupos: al descender el radio aumenta

N

Elementos de periodos 5 y 6 Los orbítales 4f casi no apantallan los electrones de los orbitales 6s y 5d exteriores y como la carga nuclear efectiva crece en elementos del periodo 6, sus radios se reducen prácticamente a los del periodo 5.

Expresada por la entalpía de vaporización o atomización de M por mol, Hv

Energía necesaria para producir un mol de átomos gaseosos del elemento a partir del mismo en

condiciones normales y a temperatura ambiente.

Metales alcalinotérreos tiene enlaces metálicos más fuertes que los metales alcalinos.

M(s) M(g) Hv

Na Mg Al

Hv (kJ.mol-1 ) 108 149 326 (+)

n (es- por átomo que pasan a la BC) 1 2 3

r(Å) 1.9 1.6 1.4 (-)

(q/r) (+)

Energía del enlace metálico

A mayor número de electrones por átomo en las bandas mayor carga y menor tamaño

A mayor energía de enlace mayores valores de Hv

E atom (kJ/mol) Energía del enlace metálico

n

Efecto muy acusado en los elementos de transición donde existe

mayor número de electrones que situados en orbitales d ocupan

las bandas.

Mínimos de radio corresponden a los máximos de Hv

Máximos a mitad de la serie: mayor número de electrones de

valencia que ocupan los orbitales antienlazantes y debilitan el enlace

AHv en conjunto aumenta de la 1ª a la 3ª serie

800

400

Con la energía del enlace metálico, y por tanto, con las propiedades fundamentales de los metales

Radio atómicoNúmero de electrones con los

que cada átomo contribuye al enlace en las bandas

Valores relacionados

➢ Tipo estructural aglomeración compacta

➢ Naturaleza del enlace

➢ Fortaleza del enlace

Dependientes de:

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS METALES

• Color: La mayoría de color grisáceo a excepción del Bi rosáceo, Cu rojizo y Au amarillo

En otros metales aparece más de un color pleocroismo

• Densidad: masa de un cuerpo/volumen en agua.

• Estado físico: todos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el Hg.

• Brillo: reflejan la luz.

• Maleabilidad: capacidad de hacerse láminas.

• Ductilidad: propiedad de moldearse en alambre e hilos.

• Elasticidad: propiedad de recuperar la forma original del metal cuandola fuerza que causa el cambio de forma deja de ejercerse.

• Tenacidad: resistencia a romperse por tracción.

• Conductividad: buenos conductores de la electricidad y del calor.

Características de los metales

PROPIEDADES FÍSICAS

TÉRMICAS

MECÁNICAS

ELÉCTRICAS

MAGNÉTICAS

ÓPTICAS

➢ Puntos de fusión y ebullición

➢ Conductividad térmica y coeficiente de dilatación térmica

➢ Calor específico

PROPIEDADES TÉRMICAS

Variación similar a la Hv o a la energía del enlace metálico

p.f. de alcalinos muy bajos

p.f. de alcalinotérreos > p.f. de alcalinos

p.f. de elementos de transición valores superiores// se encuentran en el centro

Todos lo metales son sólidos a temperatura ordinaria excepto el Hg

Punto de ebullición: ruptura de todos los enlaces

Al p.f. (ºC)/660 p.e. (ºC)/2460 Hv/326 kJmol-1

Mg p.f. (ºC)/649 p.e. (ºC)/1090 Hv/149 kJmol-1

Puntos de fusión y ebullición

Alcalinos menor p.f. menores valores a mayor peso atómico

Muy bajas

Hv de un metal típico = 400-600 kJ.mol-1

200

160

130

110

90

70

50

30

10

1 2 3 4 5

n

Metales alcalinos

Li Na K Rb Cs

Hv (kJmol-1) 163 108 83 79 -

p.f. (ºC) 179.5 97.8 63.5 38.7 29.8

p.e. (ºC) 1336 883 762 700 670

Hv

Elemento p.f. (ºC) Hv (kJmol-1)

Mg 649 149Ca 839 177Sr 768 164Ba 727 175

Los alcalinotérreos tiene enlaces metálicos más fuertes que los alcalinos

Hv son mayores

Li

Be

Na

Mg

Al

K

Ca

ScTi

VCr

Mn

FeCoNi

Cu

Zn

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Ru

Rh

Pd

Rb

Ag

CdIn

Ce

Cs

La

PrNdPm

Hf

Ta

WReOs

Ir

Pt

Au

Hg

Ti Pb

Po

Ra

Th

U

Al ser los enlaces más fuertes Mayores puntos de fusión

Al descender en el grupo Hv y p.f. varían muy poco

p.f. (ºC) p.f. (ºC) p.f. (ºC) V 1920 Cr 1900 Mn 1250Nb 2420 Mo 2620 Tc -Ta 3000 W 3380 Re 3170

p.f. muy altos Elevada energía de enlace Propiedades refractarias

Elementos centrales de series d mayor p.f.

Lantanoides y actinoides tienen p.f. ~1000ºC y p.e. ~ 3000ºC

Li

Be

Na

Mg Al

K

Ca

ScTi

VCr

Mn

FeCoNi

Cu

Zn

Sr

Y

Zr

NbMo

Ru

Rh

Pd

Rb

Ag

CdIn

Ce

Cs

La

PrNdPm

Hf

Ta

WReOs

Ir

Pt

Au

Hg

TiPbBa

Po

Ra

Th

U

Excepción

Calor específico

Restos positivos de los

átomos metálicos

participan

Los electrones que ocupan

las bandas de valencia

no participan

La mayor parte del calor que toma el metal

Calor específico, conductividad térmica y coeficiente de dilatación térmica

Aumento de la agitación térmica de los átomos

Aumento de la amplitud devibración de los átomos

Relación con el mecanismo de la conductividad térmica

Relación con el coeficiente

de dilatación térmica

A muy alta energía de

enlace muy bajo coeficiente

de dilatación térmica

Más altos: alcalinos

Más bajos: Mn, Fe y Co

- Dureza F (fortaleza del enlace)

F (empaquetamiento compacto)

- Maleabilidad

- Ductibilidad

- Densidad F (estructura)

PROPIEDADES MECÁNICAS

Compacta 74%

Alta coordinación rm pequeño densidad elevada

No compacta 67%

Energía de enlace elevada rm pequeño densidad elevada

Alcalinos mucho más bajasLi(0.53) Cs( 1.87) (g/cm3)

½ H2O

Alcalinotérreos más densos que alcalinos1.74 3.62 (g/cm3)

Metales típicos = 5 y 15 g/cc

2 3 4 5 6 n

F (estructura)

➢ Metales de transición valores muy elevados de densidad. Del periodo

4 al 6 aumenta la densidad /// más altas Os e Ir (23 g/cm3)

➢ Lantánidos moderadamente densos (7 g/cm3)

➢ Actínidos densos (cerca de 15-20 g/cm3)

4 Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

5 Sr Y Zr Nb Mo Te Ru Rh Pd Ag Cd

6 Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg

25

20

15

10

5

0

Densi

dad (

g/c

m3)

4

5

6

Generalmente los metales presentan alta densidad consecuencia de su alta coordinación

Alta energía de enlace Gran dureza

Metales alcalinos Muy blandos

V, Nb, Ta, W, Re Muy duros

Hv (kJ/mol) Dureza*

Na 108 0.4

Sr 164 1.8

Au 368 2.5

Ir 690 6.5

Os 728 7.0

W 837 8.0

Hv bajo // metales blandos

Hv alto // metales duros

* Escala de Mohs (C diamante: 10)

F (fortaleza del enlace)

Aislando una capa del empaquetamiento y aplicando una

presión direccional se observa cómo las esferas pueden

desplazarse y encontrar sitios análogos a la inicial

Se separan en hilos

Se separan en láminas

Empaquetamiento hexagonal compacto y cúbica centrada en el espacio

Menor número de planos de deslizamiento y mayor densidad de átomos

Cr, V, Mo, W, Co- //Más duros y frágiles

Propiedades que varían en función dela estructura de los metales

Empaquetamiento cúbico compactoMayor número de planos de deslizamiento

y menor densidad de átomosCu, Ag, Au, Ni.....// Blandos

F (empaquetamiento compacto)

Aislantes Semiconductores Metales

Intervalo de conductividades de sólidos

10-20 10-16 10-12 10-8 10-4 100 104 108

PROPIEDADES ELÉCTRICAS

(S.cm-1)

F (naturaleza del enlace)

La conductividad de la mayoría de los semiconductores y aislantes aumenta

rápidamente con la temperatura, mientras que en los metales muestra una

ligera pero gradual disminución.

108

1

10-4

104

10-8

Co

nd

ucti

vid

ad

(S

.cm

-1)

1 10 100 1000 T(K)

Semiconductor

Superconductor

Metal

Al aplicar un campo eléctrico a un metal = flujo de electrones

Siempre que una banda individual de un

determinado nivel atómico esté

parcialmente ocupada

-Metales alcalinos-

Superposición de la banda

de los electrones

s (totalmente ocupada) con la

correspondiente a los orbitales p

(totalmente vacía)

-Metales alcalinotérreos-

Siempre que exista posibilidad de tránsitos electrónicos entre niveles d

-Metales de transición-

Se necesita muy poca energía para promover electronesa los estados vacíos de más baja energía por encima del

nivel de Fermi

Banda de conducción

(vacía)

Estados vacíos

Estados ocupados

Banda de valencia

Banda de

conducción

__________________

__________________

Esta

do

s va

cío

sEs

tad

os

llen

os

__________________

__________________

Ener

gía

Conductividad metálica

Posibilidad de variación casi continua de la energía de los electrones

- Brillo metálico

- Opacidad

Se explican en base a la existencia de sistemas de bandas

superpuestas parcialmente ocupadas por electrones libres

Fotón, E = h

PROPIEDADES ÓPTICAS

n(n-1)d

ns/np

E

METALES DE

TRANSICIÓN

Metal

Orbitales

atómicos

Relación entre la cantidad de luz que incide en la superficie del metal

y la cantidad de luz que se refleja

En un metal la banda de valencia y la banda de conducción solapan.

Los fotones incidentes promueven el salto electrónico.

Cuando descienden en energía emiten fotones de igual y produce

el fenómeno de reflexión o brillo tan propio de los metales.

Este brillo (de los metales pulidos) se produce a través de las caras de los microcristales por la reflexión.

BRILLO METÁLICO

n(n-1)d

ns/np

E

METALES DE

TRANSICIÓN

Fotón, E = h

Los metales son opacos (y reflejan la luz) porque sus bandas de energía son tan anchas que

cualquier color del espectro visible puede ser absorbido y reemitido.

Todos los metales son blancos a excepción de Cu que es rojo y el Au que es amarillo

(absorben parte del espectro electromagnético más que otro y se observa el color

complementario).

Los metales son blancos porque reflejan todas las longitudes de onda incidentes.

OPACIDAD

Relación entre la Energía de la luz absorbida y el color observado

Luz absorbida

Energía (kJ/mol) (nm) Color correspondiente Color observado

299 400

282 425

266 450

244 490

235 510

226 530

218 550

203 590

187 640

164 730

Amarillo - verdosoVioleta

Azul índigo

AmarilloAzul índigo

Azul

Verde azulado

Verde

Verde-amarillento

Amarillo

Naranja

Rojo

Púrpura

Azul índigo

Rojo

Azul

Verde azulado

Verde

Naranja

Púrpura

Violeta

Azul índigo

En un átomo o ion en el que existen electrones

NUCLEOELECTRÓN

Tienen especial interés referidas a los metales de transición o a los lantánidos

Se ponen de manifiesto como consecuencia de la interacción que se establece entre un campo

Magnético H y los electrones presentes en los átomos.

Aunque el protón es una partícula cargada y puede presentar momento

magnético su valor es muy pequeño en relación a los que genera un electrón

total = e

total = orbital + espín = l(l+1) + 4s(s+1)

PROPIEDADES MAGNÉTICAS

Tipo Signo Magnitud Dependencia con el campo H Origen

Diamagnetismo - - 10-5 Independiente

Paramagnetismo + 10-4-10-6 Dependiente

Antiferromagnetismo + 1-10-4 Dependiente a veces

Ferromagnetismo + 10-2-10-4 Dependiente

Paramagnetismo de Pauli + 10-5 Independiente

()

El momento magnético del electrón tiende a

alinearse con el campo externo, reforzándolo, +

Algunos tipos de comportamiento magnético

Al aplicar un campo H, a algunos de los electrones con espín antiparalelo al campo les compensa pasar a un nivel

de mayor energía y situarse paralelos al campo. Efecto muy débil y comparable al diamagnetismo (+10-5)

Apareamiento de los espines

por interacción dipolo-dipolo

Alineamiento de los espines

por interacción dipolo-dipolo

de los momentos adyacentes

Espín y movimiento orbital de

los electrones localizados

Momento angular del electrón

Campo inducido, circulaciones

electrónicas de pares de electrones

Casi todos los elementos de los grupos s y p tienen orbitales llenos con espines

electrónicos completamente apareados

Los electrones apareados de esos átomos o de sus iones no presentan un

permanente

A pesar de esto, la aplicación de un campo magnético H o magnetización inducida hace

que los átomos o iones que contienen electrones apareados induzcan un pequeño

campo magnético que se opone al aplicado

Diamagnetismo

dia = Ai (contrib. diamagnética de los átomos) + Bj (contrib. diamagnética de los enlaces)

Determinada por la movilidad de los electrones >>> en átomos grandes con muchos electrones

Fenómeno que ocurre en todos los materiales, pero en muchos el efecto

magnético negativo queda cancelado por efectos magnéticos positivos.

<0

Diamagnetismo

Se produce por la circulación de los electrones internos en un átomo o molécula,

aunque en general es muy débil comparado con otros fenómenos magnéticos.

Desequilibra ligeramente a los electrones

creando en los átomos pequeños dipolos

magnéticos que se oponen al H aplicado.

Metal constituido por átomos

H externo

En un electrón, el momento orbital y de espín contribuyen al paramagnetismo

aunque generalmente es más significativa la contribución de espín

= L + S

Aunque el núcleo atómico es una partícula cargada y puede tener momento

magnético de espín nuclear

El momento magnético del electrón desapareado tiende a alinearse

con el campo externo H reforzándolo

paramagnética = M - diamagnética

>0

(10-3) <<< a los que genera un electrón

Paramagnetismo

➢ En ausencia de H, M = 0Los momentos magnéticos individuales de los electrones,

i, se orientan al azar anulándose mutuamente

La diferencia de población entre estados Ley de Curie:

= C /T

T

-1

T

MB = 8C

Pte = 1/C

H

Paramagnetismo. Ley de Curie

➢ En presencia de H, M = 0

Mayor estabilidad de los estados electrónicos que

alinean el momento magnético con H

A mayor I del H niveles más poblados

Mejor aproximación

1/

T

constante de Weiss

Pte = 1/C

C = constante de Curie

Ordenada en el origen = /C

MB.Experimental = 8C No varía con la T

teórico = = S(S+1/2) = n(n+2) L + S

En materiales constituidos por

cationes de la primera serie

de transición ya que L= 0

(T- )=

-1 = 1

y = A x + B

C C-T

C

Paramagnetismo. Ley de Curie-Weiss

Paramagnéticos (+) Diamagnéticos (-)

Tabla de susceptibilidades magnéticas χm a T ambiente y a 1 atmósfera

Na 8.4 × 10-6 H2O -0.91 × 10-5

Mg 1.2 × 10-5 Cu -0.98 × 10-5

Al 2.1 × 10-5 Ag -2.64 × 10-5

W 7.6 × 10-5 Au -3.5 × 10-5

Ti 1.8 × 10-4

Pt 2.93 × 10-4

Fenómenos de orden colectivo.

Ferromagnetismo

T

TC

Sin H

Con H

FERROMAGNÉTICO

Fe (bcc)

PARAMAGNÉTICO

>>>0,Fe, Co, Ni

Ms

M

H

T

TN

ANTIFERROMAGNÉTICO

PARAMAGNÉTICO

> 0

Fenómenos de orden colectivo. Antiferromagnetismo

Metal TN [K]Cr 475

Material TC (K)Fe 1043Co 1388Ni 627Gd 293 Dy 85

ºK = ºC + 273.15