¿Que hace metálico a un metal?

¿Que hace metálico a un metal?

Los metales nos rodean, incluso si no sabemos distinguirlos. Los metales el único tipo de materiales que le han dado nombre a eras de nuestra historia, y aun hoy en día se siguen utilizando como divisa. El oro sigue siendo una manera de ahorrar, mientras que el uso de no metales como la sal como forma de dinero decayó con el tiempo. Hay incluso teorías históricas que apuntan al dominio de la metalurgia (junto con los gérmenes y la pólvora) como causas finales de por qué ciertos continentes sometieron a otros y no al revés. Y, sin embargo, ni siquiera muchos científicos tienen claro cuál es la definición de un metal.

Ni brillantes, ni densos ni fáciles de trabajar.

La mayoría de nosotros aprendimos cómo distinguir a los metales en la escuela, como una lista de adjetivos. Con suerte el profesor nos explicó que no, que no todos los metales son magnéticos como el hierro, para a continuación decir que los metales son brillantes. Sin embargo, hay muchos materiales no metálicos que también son brillantes. La gente va a la nieve con gafas de sol y crema solar para protegerse del reflejo de la luz en ella (es decir, de su brillantez) , pero el agua NO es un metal. Tampoco lo es la sal (se trata de hecho del ejemplo más utilizado de material iónico), por mucho que sitios como el salar de Uyuni reciban miles de turistas para admirar lo brillantes que son. Al final, cualquier cosa debidamente pulida (es decir, con una superficie plana) será brillante, y no tiene por qué ser un metal. El brillo característico de los metales tiene que ver con que son buenos conductores de la electricidad, pero vayamos primero con otras no definiciones de que es un metal.

Otros adjetivos comúnmente utilizados son ‘maleable’ y ‘dúctil’, que es la manera de explicar que son fáciles de trabajar, mientras que los no metales son frágiles. Es relativamente fácil hacer cables de cobre y planchas de hierro. Probablemente esta propiedad es la que hizo que los metales hayan definido nuestra historia, hasta el punto de que los metales son el único tipo de material que ha dado nombre a eras de nuestra historia, como la edad de hierro o la de bronce (y no, las piedras NO son un tipo de material), pero no nos sirve para definir a los metales. El tungsteno, metal que se utilizó en las bombillas durante mucho tiempo, es uno de los materiales más difíciles de trabajar que hay.

El tungsteno es sin embargo muy denso, otro de los adjetivos usados para distinguir que es un metal. Sin embargo, hace dos cientos años se empezaron a descubrir metales no densos, como el sodio o el potasio. A partir de ese momento los científicos tuvieron que buscar otras definiciones de metales. Y no fue fácil.

Estrellas, óxidos y la libertad.

A día de hoy sigue sin ser fácil definir con exactitud lo que es un metal, entre otras cosas porque ni siquiera los mismos científicos se ponen de acuerdo. Los astrónomos consideran que cualquier elemento que no sea el hidrogeno y el helio es un metal. Esto se debe a que hidrogeno y helio conforman el 98% de nuestro universo, y son los elementos más ligeros que existen y que se ‘queman’ en las estrellas. Y de algunas reacciones infrecuentes en las estrellas vienen los metales, es decir los elementos más pesados. Por tanto, los astrónomos también dan por bueno el peso de los elementos para decidir si son metales, pero a una escala diferente: ¡consideran que el aire que respiramos es metálico, cuando es principalmente nitrógeno y oxigeno!

El oxígeno ha sido utilizado por los químicos para definir a los metales. El oxígeno reacciona con los materiales para formar óxidos, y los óxidos de los metales son básicos, es decir, reaccionan con los ácidos para formar agua. 

Esto está muy relacionado con otra definición típica de los libros de física y química de secundaria: los metales están unidos por metales metálicos, en la que los electrones son libres. Recordemos que los átomos están formados por un núcleo positivo y electrones negativos que se mueven a su alrededor. La manera en que esos electrones se mueven y se comparten entre diferentes elementos determina el tipo de enlace y de material. Hay materiales en que un átomo atrae mucho a los electrones hacia si, hasta el punto en que le quita los electrones a otro (los iónicos, como la sal de cocina). Los metales en cambio no atraen tanto a los electrones, y por eso cuando reaccionan con átomos que tienen mucha atracción por sus electrones como el oxígeno forman óxidos básicos. Cuando diferentes átomos de metales se combinan, los electrones corren en libertad, y hablamos de una ‘nube de electrones’. El enlace metálico es la manera de compartir esos electrones libres.

Esta nube de electrones libres es la responsable de que los metales sean brillantes y de otra de las características usadas para definir a los metales: su conductividad eléctrica. La electricidad no es más que electrones en movimiento, y cuando los electrones son libres resulta fácil que se muevan.

Sin embargo, ni la conductividad ni el enlace metálico son pruebas definitivas de que algo sea un metal. En realidad, no todos los tipos de enlaces pueden ser clasificados tan fácilmente, puesto que las leyes de la física cuántica nos impiden saber dónde está un electrón en un momento, y por tanto, hasta qué punto es libre o está siendo robado por un átomo. Y hay metales, como el ya mencionado tungsteno, para el que se estima que sus enlaces solo son mitad en forma de nube. Como cualquiera que le haya echado una ojeada a la tabla periódica sabrá, la tabla de los químicos por excelencia no nos sirve para determinar que es un metal: hay elementos que se clasifican como ‘metaloides’. ¿Son estos metales?

Uno de estos metaloides es el silicio, y es conductor de la electricidad. De hecho, es el material del cual están hechos los chips con los que funcionan los aparatos con los que leemos esto. Hay elementos que la tabla periódica define como no metales, como el carbón, pueden ser conductores de la electricidad cuando están en forma de grafito como la punta de los lápices. Y incluso el aire conduce la electricidad en determinadas circunstancias, si no, no habría relámpagos.

No todos los conductores son iguales

Aun así, es la conductividad eléctrica la que nos permite definir lo que es un metal si introducimos más matices. ¿Cuándo y cuánto conduce la electricidad un material? 

Resulta que hay materiales que conducen la electricidad siempre y otros en los que los electrones necesitan un ‘empujón’ para empezar a moverse. Ese empujón puede venir de tener muchísima energía acumulada, como es el caso del aire o, a escalas mucho más pequeñas el silicio, pero también puede venir de otra forma de energía: la temperatura.

Y esa es la definición más aceptada de lo que un metal realmente es: un metal conduce la electricidad en ausencia de empujones. A 0 grados absolutos o Kelvin (a menos doscientos setenta y tres grados centígrados, la unidad que la mayoría de nosotros utilizamos) no hay ninguna energía empujando a los electrones a moverse. Mientras que el silicio o el aire no conducen la electricidad a esa temperatura, los metales lo hacen.

Los 0 grados absolutos es para la física lo que el infinito es para las matemáticas: un limite inalcanzable (siempre será 0,000001 grados) pero que nos sirve para definir las cosas. Para los que como yo preferimos poder medir las cosas, sin embargo, hay otra definición: mientras que los no metales aumentan su conductividad con la temperatura, los metales la disminuyen. Los electrones en el silicio se moverán más y más cuantos mas empujones tengan, pero en un metal se moverán menos.

Referencias:

1. Diamond, J. Armas, gérmenes y acero: Breve historia de la humanidad en los últimos
trece mil años. (2016).
2. Metal. ScienceDaily https://www.sciencedaily.com/terms/metal.htm.
3. Tungsteno, el metal ideal para iluminar y devastar. BBC News Mundo
https://www.bbc.com/mundo/noticias/2014/07/140714_elementos_tungsteno_wolframio
_finde_dv (2014).
4. Las estrellas que el tiempo olvidó. www.nationalgeographic.com.es
https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/estrellas-que-tiempo-olvido_15780
(2020).
5. Yonezawa, F. Physics of Metal-Nonmetal Transitions. (IOS Press, 2017).