¿Qué son los metales?
Grupo de elementos químicos que presentan todas o
gran parte de las siguientes propiedades físicas: estado
sólido a temperatura
normal, excepto el mercurio que es líquido; opacidad,
excepto en capas muy finas; buenos conductores
eléctricos y térmicos; brillantes, una
vez pulidos, y estructura
cristalina en estado
sólido. Metales y no metales se encuentran
separados en el sistema periódico
por una línea diagonal de elementos. Los elementos a
la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a
la derecha son los no metales. Los elementos que
integran esta diagonal
—boro,
silicio,
germanio,
arsénico,
antimonio,
teluro, polonio
y astato— tienen
propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los
elementos metálicos más comunes son los
siguientes: aluminio,
bario,
berilio,
bismuto,
cadmio,
calcio,
cerio, cromo,
cobalto,
cobre, oro,
iridio,
hierro,
plomo, litio,
magnesio,
manganeso,
mercurio,
molibdeno,
níquel,
osmio,
paladio,
platino,
potasio,
radio, rodio,
plata, sodio,
tantalio,
talio, torio,
estaño,
titanio,
volframio,
uranio, vanadio
y cinc. Los elementos
metálicos se pueden combinar unos con otros y
también con otros elementos formando compuestos,
disoluciones y mezclas. Una
mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no
metales como el carbono se
denomina aleación. Las aleaciones de
mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como
amalgamas.
Los metales muestran un amplio margen en sus
propiedades físicas. La mayoría de ellos son de
color
grisáceo, pero algunos presentan colores
distintos; el bismuto es rosáceo, el cobre rojizo y
el oro amarillo. En otros metales aparece más de un
color, y este
fenómeno se denomina pleocroismo. El punto de
fusión
de los metales varía entre los -39 °C del
mercurio, a los 3.410 °C del tungsteno. El iridio, con
una densidad relativa
de 22,4, es el más denso de los metales. Por el contrario,
el litio es el menos denso, con una densidad relativa
de 0,53. La mayoría de los metales cristalizan en el
sistema
cúbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonal y en el
tetragonal. La más baja conductividad eléctrica la
tiene el bismuto, y la más alta a temperatura
ordinaria la plata. La conductividad en los metales puede
reducirse mediante aleaciones.
Todos los metales se expanden con el calor y se
contraen al enfriarse. Ciertas aleaciones,
como las de platino e iridio, tienen un coeficiente de
dilatación extremadamente bajo.
Propiedades
físicas
Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque
existen ciertas variaciones de uno a otro, en general los metales
tienen las siguientes propiedades: dureza
o resistencia a ser
rayados; resistencia longitudinal o
resistencia a la
rotura; elasticidad o capacidad de
volver a su forma original después de sufrir
deformación; maleabilidad o posibilidad de cambiar de
forma por la acción del martillo; resistencia a
la fatiga o capacidad de soportar una
fuerza o
presión continuadas y ductilidad o posibilidad de
deformarse sin sufrir roturas.
Propiedades
químicas
Es característico de los metales tener
valencias positivas en la mayoría de sus compuestos. Esto
significa que tienden a ceder electrones a los átomos con
los que se enlazan. También tienden a formar óxidos
básicos. Por el contrario, elementos no metálicos
como el nitrógeno, azufre y cloro tienen valencias
negativas en la mayoría de sus compuestos, y tienden a
adquirir electrones y a formar óxidos
ácidos.
Los metales tienen energía de
ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo
electrones para formar iones positivos o cationes. De este modo,
los metales forman sales como cloruros, sulfuros y carbonatos,
actuando como agentes reductores (donantes de
electrones).
Estructura electrónica
En sus primeros esfuerzos para explicar la estructura
electrónica de los metales, los
científicos esgrimieron las propiedades de su buena
conductividad térmica y eléctrica para apoyar la
teoría
de que los metales se componen de átomos ionizados, cuyos
electrones libres forman un 'mar' homogéneo de carga
negativa. La atracción electrostática entre los
iones positivos del metal y los electrones libres, se
consideró la responsable del enlace entre los
átomos del metal. Así, se pensaba que el libre
movimiento de
los electrones era la causa de su alta conductividad
eléctrica y térmica. La principal objeción a
esta teoría
es que en tal caso los metales debían tener un
calor específico superior al que
realmente tienen.
En 1928, el físico alemán Arnold
Sommerfeld sugirió que los electrones en los metales se
encuentran en una disposición cuántica en la que
los niveles de baja energía disponibles para los
electrones se hallan casi completamente ocupados. En el mismo
año, el físico suizo estadounidense Felix Bloch, y
más tarde el físico francés Louis Brillouin,
aplicaron esta idea en la hoy aceptada 'teoría
de la banda' para los enlaces en los sólidos
metálicos.
De acuerdo con dicha teoría,
todo átomo de
metal tiene únicamente un número limitado de
electrones de valencia con los que unirse a los átomos
vecinos. Por ello se requiere un amplio reparto de electrones
entre los átomos individuales. El reparto de electrones se
consigue por la superposición de orbitales atómicos
de energía equivalente con los átomos adyacentes.
Esta superposición va recorriendo toda la muestra del
metal, formando amplios orbitales que se extienden por todo el
sólido, en vez de pertenecer a átomos concretos.
Cada uno de estos orbitales tiene un nivel de energía
distinto debido a que los orbitales atómicos de los que
proceden, tenían a su vez diferentes niveles de
energía. Los orbitales, cuyo número es el mismo que
el de los orbitales atómicos, tienen dos electrones cada
uno y se van llenando en orden de menor a mayor energía
hasta agotar el número de electrones disponibles. En esta
teoría
se dice que los grupos de
electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de
orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de
energía, valores que
deberían poseer los electrones para poder ser
parte de esa banda. En algunos metales se dan interrupciones de
energía entre las bandas, pues los electrones no poseen
ciertas energías. La banda con mayor energía en un
metal no está llena de electrones, dado que una característica de los metales es que no
poseen suficientes electrones para llenarla. La elevada
conductividad eléctrica y térmica de los metales se
explica así por el paso de electrones a estas bandas con
defecto de electrones, provocado por la absorción de
energía térmica.
Metales dúctiles:
¿Qué es la ductilidad? Bueno es una
propiedad de
un metal, una aleación o
cualquier otro material que permite su deformación
forzada, en hilos, sin que se rompa o astille. Cuanto más
dúctil es un material, más fino es el
alambre o hilo, que podrá ser estirado
mediante un troquel para metales, sin
riesgo de
romperse. Decimos entonces que un metal dúctil es todo
aquel que permite su deformación forzada, en hilos, sin
que se rompa o astille.
Metales Maleables:
La maleabilidad es la posibilidad de cambiar de
forma por la acción del martillo, ¿qué
quiere decir entonces? Que puede batirse o extenderse en planchas
o laminas.
Conductor eléctrico:
Cualquier material que ofrezca poca
resistencia al flujo de
electricidad. La diferencia entre un conductor
y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o
de calor, es de grado más que de
tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en
mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad,
como la plata o el
cobre, puede tener una conductividad mil
millones de veces superior a la de un buen aislante, como
el vidrio o la
mica. El fenómeno conocido como
superconductividad se produce cuando al
enfriar ciertas sustancias a una temperatura
cercana al cero absoluto su
conductividad se vuelve prácticamente infinita. En los
conductores sólidos la corriente eléctrica es
transportada por el movimiento de
los electrones; y en
disoluciones y
gases, lo hace por los
iones.
Semiconductor:
Material sólido o líquido capaz de
conducir la electricidad mejor que
un aislante, pero peor que un metal. La
conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir
la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de
potencial, es una de las propiedades físicas más
importantes. Ciertos metales, como el
cobre, la plata y
el aluminio son excelentes
conductores. Por otro lado, ciertos aislantes
como el diamante o el
vidrio son muy malos conductores. A
temperaturas muy bajas, los semiconductores
puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas
temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la
conductividad de los semiconductores
puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles
cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores
se estudian en la física del
estado
sólido.
Electrones de conducción y
huecos:
Entre los semiconductores
comunes se encuentran elementos químicos y compuestos,
como el silicio, el
germanio, el
selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro
de cinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad
provocado por los cambios de temperatura,
la luz o las
impurezas se debe al aumento del número de
electrones conductores que transportan la
corriente eléctrica. En un semiconductor característico o puro como el silicio, los
electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo
están emparejados y son compartidos por otros
átomos para formar un enlace
covalente que mantiene al cristal unido. Estos electrones
de valencia no están libres para transportar corriente
eléctrica. Para producir electrones de conducción,
se utiliza la luz o la temperatura,
que excita los electrones de valencia y provoca su
liberación de los enlaces, de manera que pueden transmitir
la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al
flujo de la electricidad (se
dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es
el origen físico del incremento de la conductividad
eléctrica de los semiconductores a
causa de la temperatura.
Dopar:
Otro método
para obtener electrones para el transporte de
electricidad
consiste en añadir impurezas al semiconductor o doparlo.
La diferencia del número de electrones de valencia entre
el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones)
y el material receptor hace que crezca el número de
electrones de conducción negativos (tipo n) o
positivos (tipo p). Este concepto se
ilustra en el diagrama
adjunto, que muestra un
cristal de silicio dopado. Cada átomo
de silicio tiene cuatro electrones de
valencia (representados mediante puntos). Se requieren dos para
formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un
átomo
como el del fósforo (P), con cinco electrones de valencia,
reemplaza al silicio y proporciona electrones adicionales. En el
silicio tipo p, los átomos de tres electrones de
valencia como el aluminio (Al)
provocan una deficiencia de electrones o huecos que se comportan
como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden
conducir la electricidad.
Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y
tipo n son adyacentes, forman un diodo
de semiconductor, y la región de contacto se llama
unión pn. Un diodo es un dispositivo de dos
terminales que tiene una gran resistencia al
paso de la corriente eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la
otra. Las propiedades de conductividad de la unión
pn dependen de la dirección del voltaje, que puede a su vez
utilizarse para controlar la naturaleza
eléctrica del dispositivo. Algunas series de estas uniones
se usan para hacer transistores y otros
dispositivos semiconductores como células
solares, láseres de unión pn y
rectificadores.
Los dispositivos semiconductores tienen muchas
aplicaciones en la ingeniería eléctrica. Los
últimos avances de la ingeniería han producido pequeños
chips semiconductores que contienen cientos de miles de transistores.
Estos chips han hecho posible un enorme grado de
miniaturización en los dispositivos electrónicos.
La aplicación más eficiente de este tipo de chips
es la fabricación de circuitos de
semiconductores de metal – óxido complementario o CMOS,
que están formados por parejas de transistores de
canal p y n controladas por un solo circuito.
Además, se están fabricando dispositivos
extremadamente pequeños utilizando la técnica
epitaxial de haz molecular.
Aislantes eléctricos:
El aislante perfecto para las aplicaciones
eléctricas sería un material absolutamente no
conductor, pero ese material no existe. Los materiales
empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad,
pero presentan una resistencia al paso de corriente
eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los
buenos conductores eléctricos
como la plata o el cobre. Estos
materiales
conductores tienen un gran número de electrones libres
(electrones no estrechamente ligados a los núcleos) que
pueden transportar la corriente; los buenos aislantes apenas
poseen estos electrones. Algunos materiales,
como el silicio o el germanio, que tienen un número
limitado de electrones libres, se comportan como
semiconductores, y son la materia
básica de los
transistores.
En los circuitos
eléctricos normales suelen usarse plásticos
como revestimiento aislante para los cables. Los cables muy
finos, como los empleados en las bobinas (por ejemplo, en un
transformador), pueden aislarse con una capa delgada de barniz.
El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede
efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un
aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y
transformadores se emplea en ocasiones un papel especial
para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta
tensión se aíslan con vidrio, porcelana
u otro material cerámico.
La elección del material aislante suele venir
determinada por la aplicación. El polietileno y
poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el
mylar se emplea en condensadores
eléctricos. También hay que seleccionar los
aislantes según la temperatura máxima que deban
resistir. El teflón se emplea para temperaturas altas,
entre 175 y 230 ºC. Las condiciones mecánicas o
químicas adversas pueden exigir otros materiales.
El nylon tiene una excelente
resistencia a la abrasión, y el neopreno, la goma de
silicona, los poliésteres de epoxy y los poliuretanos
pueden proteger contra los productos
químicos y la humedad.
¿Cuál es la diferencia existente
entre conductor, semiconductor y aislante?
Es sencillo, los conductores son todos aquellos
que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia, el
semiconductor es aquel que posee 4 electrones en la capa de
valencia y el aislante es el que posee mas de 4 electrones en la
capa de valencia.
Bibliografía
Microsoft Encarta
Edición 98
Cuaderno de Electricidad
Prof. Antonio Zuleta
Guatemala
4to. Bipe "A"
1996
Cuaderno de Electronica
Básica
Prof. Jorge Melendez
Guatemala
4to. Bipe "A"
1996
Jorge Romeo Gaitán
Rivera
Bachiller Industrial Perito en Electrónica Digital y
Microprocesadores
1er. Semestre de Ingeniería
Electrónica
jrgaitan[arroba]geocities.com