Metal

La mayoría de los metales son brillantes y lustrosos , al menos cuando están pulidos o fracturados. Las láminas de metal de más de unos pocos micrómetros de espesor parecen opacas, pero el pan de oro transmite luz verde. Esto se debe a los electrones que se mueven libremente y reflejan la luz. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Aunque la mayoría de los metales elementales tienen densidades más altas que los no metales , ^{[ 8 ]} existe una amplia variación en sus densidades, siendo el litio el menos denso (0,534  g/cm³ ⁾ y el osmio (22,59  g/cm³ ⁾ el más denso. Se espera que algunos de los metales de transición 6d sean más densos que el osmio, pero sus isótopos conocidos son demasiado inestables para que sea posible la producción en masa. ^{[ 9 ]} El magnesio, el aluminio y el titanio son metales ligeros de gran importancia comercial. Sus respectivas densidades de 1,7, 2,7 y 4,5  g/cm³ ^se pueden comparar con las de los metales estructurales más antiguos, como el hierro a 7,9 y el cobre a 8,9  g/cm³ ^. Los metales ligeros más comunes son las aleaciones de aluminio ^{[ 10 ] [ 11 ]} y magnesio ^{[ 12 ] [ 13 ]} .

Los metales suelen ser maleables y dúctiles, deformándose bajo tensión sin fracturarse . ^{[ 8 ]} La naturaleza no direccional del enlace metálico contribuye a la ductilidad de la mayoría de los sólidos metálicos, donde la tensión de Peierls es relativamente baja, lo que permite el movimiento de dislocaciones , y también existen muchas combinaciones de planos y direcciones para la deformación plástica . ^{[ 14 ]} Debido a que tienen disposiciones compactas de átomos, el vector de Burgers de las dislocaciones es bastante pequeño, lo que también significa que la energía necesaria para producir una es pequeña. ^{[ 3 ] [ 14 ]} En contraste, en un compuesto iónico como la sal de mesa, los vectores de Burgers son mucho mayores y la energía para mover una dislocación es mucho mayor. ^{[ 3 ]} La deformación elástica reversible en metales se puede describir bien mediante la ley de Hooke para las fuerzas restauradoras, donde la tensión es linealmente proporcional a la deformación , hasta el límite de proporcionalidad del material. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Un cambio de temperatura puede provocar el movimiento de defectos estructurales en el metal, tales como límites de grano , vacantes puntuales , dislocaciones lineales y helicoidales , fallas de apilamiento y maclas , tanto en metales cristalinos como no cristalinos . También pueden producirse deslizamiento interno , fluencia y fatiga del metal . ^{[ 3 ] [ 14 ]}

Los átomos de las sustancias metálicas simples suelen estar organizados en una de tres estructuras cristalinas comunes : cúbica centrada en el cuerpo (bcc), cúbica centrada en las caras (fcc) y hexagonal compacta (hcp). En la estructura bcc, cada átomo se sitúa en el centro de un cubo formado por otros ocho. En las estructuras fcc y hcp, cada átomo está rodeado por otros doce, pero la disposición de las capas difiere. Algunos metales adoptan estructuras distintas según la temperatura. ^{[ 17 ]}

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  Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, con una celda unitaria de 2 átomos, como la que se encuentra, por ejemplo, en el cromo, el hierro y el tungsteno.
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  Estructura cristalina cúbica centrada en las caras, con una celda unitaria de 4 átomos, como la que se encuentra, por ejemplo, en el aluminio, el cobre y el oro.
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  Estructura cristalina hexagonal compacta, con una celda unitaria de 6 átomos, como la que se encuentra, por ejemplo, en el titanio, el cobalto y el zinc.
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  Disposición de los átomos en un cristal de sal de roca como el TiN

Muchos otros metales con diferentes elementos tienen estructuras más complicadas, como la estructura de sal de roca en el nitruro de titanio o la estructura de perovskita en algunos niquelatos. ^{[ 18 ]}

La estructura electrónica de los metales los convierte en buenos conductores de electricidad . En general, los electrones en un material tienen momentos diferentes , que en promedio son cero cuando no hay voltaje externo . En los metales, cuando se aplica un voltaje, algunos electrones se desplazan a estados con un momento ligeramente mayor en la dirección del campo eléctrico, mientras que otros se ralentizan ligeramente. Esto crea una velocidad de deriva neta que conduce a una corriente eléctrica. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 19 ]} Esto implica pequeños cambios en las funciones de onda en las que se encuentran los electrones, cambiando a aquellas con momentos más altos. Según el principio de exclusión de Pauli , no hay dos electrones que puedan ocupar el mismo estado cuántico. ^{[ 20 ]} Por lo tanto, para que los electrones se desplacen a estados de mayor momento, dichos estados deben estar desocupados. En los metales, estos estados electrónicos deslocalizados vacíos están disponibles en energías cercanas a los niveles ocupados más altos, como se muestra en la figura.

Por el contrario, los semiconductores como el silicio y los no metales como el titanato de estroncio tienen una brecha de energía entre los estados electrónicos más ocupados (la banda de valencia) y los estados vacíos más bajos (la banda de conducción). Un campo eléctrico pequeño es insuficiente para excitar los electrones a través de esta brecha, lo que hace que estos materiales sean malos conductores eléctricos. ^{[ 19 ]} Sin embargo, los semiconductores pueden conducir cierta corriente cuando se dopan con elementos que introducen estados de energía parcialmente ocupados adicionales, o cuando la excitación térmica permite que los electrones crucen la brecha de energía. ^{[ 21 ]}

Los metales elementales tienen valores de conductividad eléctrica que van desde 6,9 ​​× 10³ ^S / cm para el manganeso hasta 6,3 × 10⁵ ^S /cm para la plata . En contraste, un metaloide semiconductor como el boro tiene una conductividad eléctrica de 1,5 × 10⁻⁶ ^S /cm. Típicamente, la conductividad eléctrica de los metales disminuye con el calentamiento porque el aumento del movimiento térmico de los átomos dificulta el flujo de electrones. ^{[ 22 ]} Excepcionalmente, la conductividad eléctrica del plutonio aumenta cuando se calienta en el rango de temperatura de alrededor de −175 a +125  °C, con un coeficiente de expansión térmica anómalamente grande y un cambio de fase de monoclínico a cúbico centrado en las caras cerca de 100  °C. ^{[ 23 ]} Este comportamiento, junto con fenómenos similares observados en otros elementos transuránicos, se atribuye a interacciones relativistas y de espín más complejas que no se capturan en modelos simples. ^{[ 24 ]}

Todas las aleaciones metálicas, así como las cerámicas y polímeros conductores, son metales según la misma definición; por ejemplo, el nitruro de titanio tiene estados deslocalizados en el nivel de Fermi. Poseen conductividades eléctricas similares a las de los metales elementales. Los líquidos también son conductores metálicos de electricidad, como por ejemplo el mercurio . En condiciones normales, ningún gas es conductor metálico. Sin embargo, un plasma es un conductor metálico y las partículas cargadas en un plasma tienen muchas propiedades en común con las de los electrones en los metales elementales, particularmente en las estrellas enanas blancas. ^{[ 25 ]}

Los metales son conductores relativamente buenos del calor , que en ellos se transporta principalmente por los electrones de conducción. ^{[ 26 ]} A temperaturas más altas, los electrones pueden ocupar niveles de energía ligeramente superiores, determinados por la estadística de Fermi-Dirac . ^{[ 2 ] [ 21 ]} Estos tienen momentos ( energía cinética ) ligeramente superiores y pueden transmitir energía térmica. La ley empírica de Wiedemann-Franz establece que en muchos metales la relación entre las conductividades térmica y eléctrica es proporcional a la temperatura, con una constante de proporcionalidad que es aproximadamente la misma para todos los metales. ^{[ 2 ]}

La contribución de los electrones de un metal a su capacidad calorífica y conductividad térmica, así como la conductividad eléctrica del propio metal, pueden calcularse aproximadamente a partir del modelo de electrones libres . ^{[ 2 ]} Sin embargo, este modelo no considera la estructura detallada de la red iónica del metal. Al tener en cuenta el potencial positivo causado por la disposición de los núcleos iónicos, se puede considerar la estructura de bandas electrónicas y la energía de enlace del metal. Existen varios modelos aplicables, siendo el más sencillo el modelo de electrones casi libres . ^{[ 2 ]} Generalmente se utilizan métodos modernos como la teoría del funcional de la densidad . ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Los elementos que forman metales suelen formar cationes mediante la pérdida de electrones. ^{[ 8 ]} La mayoría reacciona con el oxígeno del aire para formar óxidos en diferentes escalas de tiempo ( el potasio arde en segundos, mientras que el hierro se oxida en años), dependiendo de si el óxido nativo forma una capa de pasivación que actúa como barrera de difusión . ^{[ 30 ] [ 31 ]} Otros, como el paladio , el platino y el oro , no reaccionan con la atmósfera; el oro puede formar compuestos donde gana un electrón (aururos, por ejemplo, aururo de cesio ). Los óxidos de los metales elementales suelen ser básicos . Sin embargo, los óxidos con estados de oxidación muy altos , como CrO ₃ , Mn ₂ O ₇ , y OsO ₄ suelen tener reacciones estrictamente ácidas; y los óxidos de los metales menos electropositivos, como BeO, Al ₂ O ₃ , y PbO, pueden mostrar propiedades tanto básicas como ácidas. Estos últimos se denominan óxidos anfóteros .

El término «ferroso» deriva de la palabra latina que significa «que contiene hierro». Esto puede incluir hierro puro, como el hierro forjado , o una aleación como el acero . Los metales ferrosos suelen ser magnéticos , pero no exclusivamente. Los metales no ferrosos y las aleaciones carecen de cantidades apreciables de hierro.

Si bien casi todos los metales elementales son maleables o dúctiles, algunos —berilio, cromo, manganeso, galio y bismuto— son frágiles. ^{[ 41 ]} El arsénico y el antimonio, si se admiten como metales, son frágiles. Los valores bajos de la relación entre el módulo elástico volumétrico y el módulo de cizallamiento ( criterio de Pugh ) son indicativos de fragilidad intrínseca. ^{[ 42 ]} Un material es frágil si es difícil que las dislocaciones se muevan, lo que a menudo se asocia con grandes vectores de Burgers y solo un número limitado de planos de deslizamiento. ^{[ 43 ]}

Un metal refractario es aquel que presenta una alta resistencia al calor y al desgaste. La lista de metales que pertenecen a esta categoría es variada; la definición más común incluye el niobio, el molibdeno, el tantalio, el tungsteno y el renio, así como sus aleaciones. Todos ellos tienen puntos de fusión superiores a 2000  °C y una elevada dureza a temperatura ambiente. Algunos compuestos, como el nitruro de titanio, también se consideran metales refractarios.

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  Cristales de niobio y un cubo de niobio anodizado de ¹  cm³ para comparación.
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  Impresión 3D de una albóndiga de la NASA, hecha de GRX-810, una aleación de alta temperatura reforzada por dispersión de óxido.
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  Monocristal de renio, una barra refundida y un cubo de renio de 1 ^cm³  para comparación.
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  polvo de nitruro de titanio

Un metal blanco es cualquiera de una gama de aleaciones de color blanco con puntos de fusión relativamente bajos que se utilizan principalmente con fines decorativos. ^{[ 44 ] [ 45 ]} En Gran Bretaña, el comercio de bellas artes utiliza el término "metal blanco" en los catálogos de subastas para describir artículos de plata extranjeros que no llevan marcas de la Oficina de Ensayo Británica, ^{[ 46 ]} pero que no obstante se entienden como plata y se valoran en consecuencia.

Un metal pesado es cualquier metal relativamente denso, ya sea de un solo elemento o de varios elementos. ^{[ 47 ]} Las aleaciones de magnesio , aluminio y titanio son metales ligeros de gran importancia comercial. ^{[ 48 ]} Sus densidades de 1,7, 2,7 y 4,5 g/cm³ ^oscilan entre el 19 y el 56 % de las densidades de otros metales estructurales, ^{[ 49 ]} como el hierro (7,9) y el cobre (8,9) y sus aleaciones.

El término metal base se refiere a un metal que se oxida o corroe fácilmente , por ejemplo, reaccionando con facilidad con ácido clorhídrico (HCl) diluido para formar cloruro metálico e hidrógeno . El término se usa normalmente para los elementos, como el hierro, el níquel , el plomo y el zinc. El cobre se considera un metal base, ya que se oxida con relativa facilidad, aunque no reacciona con el HCl.

El término metal noble (que también se aplica a los elementos) se usa comúnmente en contraposición a metal común . Los metales nobles son menos reactivos y resistentes a la corrosión y la oxidación , ^{[ 50 ]} a diferencia de la mayoría de los metales comunes . Suelen ser metales preciosos, a menudo debido a su supuesta rareza. Algunos ejemplos son el oro, el platino, la plata, el rodio , el iridio y el paladio.

En alquimia y numismática , el término metal base se contrapone al metal precioso , es decir, aquellos de alto valor económico. ^{[ 51 ]} La mayoría de las monedas actuales están hechas de metales base con bajo valor intrínseco ; en el pasado, las monedas frecuentemente derivaban su valor principalmente de su contenido de metal precioso; el oro , la plata , el platino y el paladio tienen cada uno un código de moneda ISO 4217. Actualmente tienen usos industriales como el platino y el paladio en convertidores catalíticos , se utilizan en joyería y también cumplen una función como inversiones y reserva de valor . ^{[ 52 ]} El paladio y el platino, a partir del verano de 2024, estaban valorados en algo menos de la mitad del precio del oro, mientras que la plata es sustancialmente menos costosa.

En electroquímica, un metal de válvula es un metal que permite el paso de corriente en una sola dirección debido a la formación posterior de un óxido aislante. ^{[ 53 ]}

Existen muchos compuestos cerámicos que poseen conductividad eléctrica metálica, pero no son simples combinaciones de elementos metálicos. (No son lo mismo que los cermets, que son compuestos de una cerámica no conductora y un metal conductor). Un grupo, los nitruros de metales de transición, presenta un carácter iónico significativo en sus enlaces, por lo que pueden clasificarse como cerámicas y metales. ^{[ 7 ]} Tienen estados parcialmente llenos en el nivel de Fermi ^{[ 7 ]} , por lo que son buenos conductores térmicos y eléctricos, y a menudo se produce una transferencia de carga significativa de los átomos de metales de transición al nitrógeno. ^{[ 7 ]} Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los metales elementales, los metales cerámicos no suelen ser particularmente dúctiles. Sus usos son muy variados; por ejemplo, el nitruro de titanio se utiliza en dispositivos ortopédicos ^{[ 54 ]} y como recubrimiento resistente al desgaste. ^{[ 55 ]} En muchos casos, su utilidad depende de la existencia de métodos de deposición eficaces para que puedan utilizarse como recubrimientos de película delgada. ^{[ 56 ]}

Existen muchos polímeros que presentan conductividad eléctrica metálica, ^{[ 58 ] [ 59 ]} típicamente asociada con componentes aromáticos extendidos, como en los polímeros indicados en la figura. La conductividad de las regiones aromáticas es similar a la del grafito, por lo que es altamente direccional. ^{[ 60 ]}

Un semimetal es cualquier sustancia que actúa como conductor para electrones con una orientación de espín , pero como aislante o semiconductor para aquellos con espín opuesto. Se describieron por primera vez en 1983, como explicación de las propiedades eléctricas de las aleaciones de Heusler basadas en manganeso . ^{[ 61 ]} Aunque todos los semimetales son ferromagnéticos (o ferrimagnéticos ), la mayoría de los ferromagnetos no son semimetales. Muchos de los ejemplos conocidos de semimetales son óxidos , sulfuros o aleaciones de Heusler. ^{[ 62 ]}

Un semimetal es un material con una pequeña superposición de energía entre el fondo de la banda de conducción y la parte superior de la banda de valencia , pero no se superponen en el espacio de momentos . ^{[ 63 ]} A diferencia de un metal regular, los semimetales tienen portadores de carga de ambos tipos (huecos y electrones), aunque los portadores de carga suelen aparecer en cantidades mucho menores que en un metal real. En este sentido, se asemejan a semiconductores degenerados . Esto explica por qué las propiedades eléctricas de los semimetales se encuentran a medio camino entre las de los metales y los semiconductores . Existen otros tipos, en particular los semimetales de Weyl y Dirac . ^{[ 64 ]}

Los elementos semimetálicos elementales clásicos son el arsénico , el antimonio , el bismuto , el estaño α (estaño gris) y el grafito . También existen compuestos químicos , como el telururo de mercurio (HgTe), ^{[ 65 ]} y algunos polímeros conductores . ^{[ 66 ]}

Los elementos metálicos hasta las proximidades del hierro (en la tabla periódica) se forman en gran medida mediante nucleosíntesis estelar . En este proceso, los elementos más ligeros, desde el hidrógeno hasta el silicio, experimentan reacciones de fusión sucesivas dentro de las estrellas, liberando luz y calor y formando elementos más pesados ​​con números atómicos más altos. ^{[ 67 ]}

Los elementos más pesados ​​no suelen formarse de esta manera, ya que las reacciones de fusión que involucran dichos núcleos consumirían energía en lugar de liberarla. ^{[ 68 ]} En cambio, se sintetizan principalmente (a partir de elementos con un número atómico menor) mediante captura de neutrones , siendo los dos modos principales de esta captura repetitiva el proceso s y el proceso r . En el proceso s ("s" significa "lento"), las capturas individuales están separadas por años o décadas, lo que permite que los núcleos menos estables se desintegren beta , ^{[ 69 ]} mientras que en el proceso r ("rápido"), las capturas ocurren más rápido de lo que los núcleos pueden desintegrarse. Por lo tanto, el proceso s sigue un camino más o menos claro: por ejemplo, los núcleos estables de cadmio-110 son bombardeados sucesivamente por neutrones libres dentro de una estrella hasta que forman núcleos de cadmio-115 que son inestables y se desintegran para formar indio-115 (que es casi estable, con una vida media30 000 veces la edad del universo). Estos núcleos capturan neutrones y forman indio-116, que es inestable y se desintegra para formar estaño-116, y así sucesivamente. ^{[ 67 ] [ 70 ] [ n 2 ]} En contraste, no existe tal camino en el proceso r. El proceso s se detiene en el bismuto debido a las cortas vidas medias de los dos elementos siguientes, polonio y astato, que se desintegran en bismuto o plomo. El proceso r es tan rápido que puede saltarse esta zona de inestabilidad y continuar para crear elementos más pesados ​​como el torio y el uranio. ^{[ 72 ]}

Los metales se condensan en los planetas como resultado de los procesos de evolución y destrucción estelar. Las estrellas pierden gran parte de su masa cuando esta es expulsada al final de su vida, y a veces después como resultado de la fusión de estrellas de neutrones , ^{[ 73 ] [ n 3 ]} aumentando así la abundancia de elementos más pesados ​​que el helio en el medio interestelar . Cuando la atracción gravitatoria hace que esta materia se aglutine y colapse, se forman nuevas estrellas y planetas . ^{[ 75 ]}

La corteza terrestre está compuesta aproximadamente por un 25 % de elementos metálicos en peso, de los cuales el 80 % son metales ligeros como el sodio, el magnesio y el aluminio. A pesar de la escasez general de algunos metales más pesados, como el cobre, estos pueden concentrarse en cantidades económicamente extraíbles como resultado de la formación de montañas, la erosión u otros procesos geológicos.

Los elementos metálicos se encuentran principalmente como litófilos (afines a las rocas) o calcófilos (afines a los minerales). Los elementos litófilos son principalmente los del bloque s, los más reactivos del bloque d y los del bloque f. Tienen una fuerte afinidad por el oxígeno y suelen presentarse como minerales de silicato de densidad relativamente baja. Los elementos calcófilos son principalmente los menos reactivos del bloque d y los metales del bloque p de los periodos 4 a 6. Generalmente se encuentran en minerales de sulfuro (insolubles). Al ser más densos que los litófilos, y por lo tanto hundirse más profundamente en la corteza al solidificarse, los calcófilos tienden a ser menos abundantes que los litófilos.

Por otro lado, el oro es un siderófilo, o elemento afín al hierro. No forma compuestos fácilmente con oxígeno ni azufre. En el momento de la formación de la Tierra, y como el más noble (inerte) de los elementos metálicos, el oro se hundió en el núcleo debido a su tendencia a formar aleaciones metálicas de alta densidad. En consecuencia, es relativamente escaso. Algunos otros elementos (menos) nobles —molibdeno, renio, los metales del grupo del platino (rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino), germanio y estaño— pueden considerarse siderófilos, pero solo en términos de su presencia primaria en la Tierra (núcleo, manto y corteza), más que en la corteza. Estos también se encuentran en la corteza, en pequeñas cantidades, principalmente como calcófilos (en menor medida en su forma nativa). ^{[ n 4 ]}

Se cree que el núcleo externo fluido y giratorio del interior de la Tierra, compuesto principalmente de hierro, es la fuente del campo magnético protector terrestre. ^{[ n 5 ]} El núcleo se encuentra sobre el núcleo interno sólido de la Tierra y debajo de su manto. Si pudiera reorganizarse en una columna con una base de 5 m² (54 pies cuadrados ), ^tendría una altura de casi 700 años luz. El campo magnético protege a la Tierra de las partículas cargadas del viento solar y de los rayos cósmicos que, de otro modo, erosionarían la atmósfera superior (incluida la capa de ozono que limita la transmisión de la radiación ultravioleta).   

Los elementos metálicos se extraen a menudo de la Tierra mediante la minería de yacimientos ricos en dichos elementos, como la bauxita . La localización de estos yacimientos se realiza mediante técnicas de prospección , seguidas de la exploración y el análisis de los depósitos. Las fuentes minerales se dividen generalmente en minas a cielo abierto , que se explotan mediante excavación con maquinaria pesada, y minas subterráneas . En algunos casos, el precio de venta del metal o metales involucrados hace que resulte económicamente viable extraer minerales de yacimientos con menor concentración.

Una vez extraído el mineral, es necesario extraer los elementos , generalmente mediante reducción química o electrolítica. La pirometalurgia utiliza altas temperaturas para convertir el mineral en metales en bruto, mientras que la hidrometalurgia emplea procesos químicos acuosos con el mismo fin.

Cuando un mineral metálico es un compuesto iónico, generalmente debe fundirse —calentándose con un agente reductor— para extraer el metal puro. Muchos metales comunes, como el hierro, se funden utilizando carbono como agente reductor. Algunos metales, como el aluminio y el sodio , no tienen un agente reductor comercialmente práctico y, en su lugar, se extraen mediante electrólisis . ^{[ 76 ] [ 77 ]}

Los minerales sulfurados no se reducen directamente al metal, sino que se tuestan al aire para convertirlos en óxidos.

La demanda de metales está estrechamente ligada al crecimiento económico debido a su uso en infraestructura, construcción, manufactura y bienes de consumo. Durante el siglo XX, la variedad de metales utilizados en la sociedad creció rápidamente. Hoy en día, el desarrollo de grandes naciones, como China e India, y los avances tecnológicos, impulsan una demanda cada vez mayor. Como resultado, las actividades mineras se están expandiendo y cada vez más reservas mundiales de metales se encuentran en uso en la superficie, en lugar de bajo tierra como reservas sin utilizar. Un ejemplo es la reserva de cobre en uso . Entre 1932 y 1999, el cobre en uso en Estados Unidos aumentó de 73 g a 238 g por persona. ^{[ 78 ]}

Los metales son inherentemente reciclables, por lo que, en principio, pueden usarse una y otra vez, minimizando así los impactos ambientales negativos y ahorrando energía. Por ejemplo, el 95 % de la energía utilizada para fabricar aluminio a partir de bauxita se ahorra mediante el uso de material reciclado. ^{[ 79 ]}

A nivel mundial, el reciclaje de metales es generalmente bajo. En 2010, el Panel Internacional de Recursos , auspiciado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, publicó informes sobre las reservas de metales existentes en la sociedad ^{[ 80 ]} y sus tasas de reciclaje. ^{[ 78 ]} Los autores del informe observaron que las reservas de metales en la sociedad pueden funcionar como enormes minas en la superficie. Advirtieron que las tasas de reciclaje de algunos metales raros utilizados en aplicaciones como teléfonos móviles, baterías para automóviles híbridos y pilas de combustible son tan bajas que, a menos que se incrementen drásticamente las tasas de reciclaje al final de su vida útil, estos metales críticos dejarán de estar disponibles para su uso en la tecnología moderna.

El cobre, que se encuentra en estado natural, pudo haber sido el primer metal descubierto debido a su apariencia distintiva, su pesadez y su maleabilidad. El oro, la plata, el hierro (como hierro meteórico) y el plomo también fueron descubiertos en la prehistoria. Las formas de latón , una aleación de cobre y zinc obtenida mediante la fundición simultánea de los minerales de estos metales, tienen su origen en este período (aunque el zinc puro no se aisló hasta el siglo XIII). La maleabilidad de los metales sólidos propició los primeros intentos de elaborar ornamentos, herramientas y armas de metal. El hierro meteórico, que contenía níquel, se descubrió ocasionalmente y, en algunos aspectos, este era superior a cualquier acero industrial fabricado hasta la década de 1880, cuando los aceros aleados cobraron protagonismo. ^{[ 81 ]}

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  cobre nativo
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  cristales de oro
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  Plata cristalina
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  Una rebanada de hierro meteórico
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  nódulos de plomo oxidados y cubo ^de 1 cm³ 
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  Una pesa de latón (35 g)

El descubrimiento del bronce (una aleación de cobre con arsénico o estaño) permitió a las personas crear objetos metálicos más duros y duraderos que los que se habían podido crear anteriormente. Las herramientas, armas, armaduras y materiales de construcción de bronce , como las baldosas decorativas, eran más duros y duraderos que sus predecesores de piedra y cobre (del período calcolítico ). Inicialmente, el bronce se fabricaba con cobre y arsénico (formando bronce arsénico ) mediante la fundición de minerales de cobre y arsénico mezclados de forma natural o artificial. ^{[ 82 ]} Los artefactos más antiguos conocidos hasta ahora provienen de la meseta iraní en el quinto milenio a. C. ^{[ 83 ]} Fue solo más tarde cuando se empezó a usar el estaño , convirtiéndose en el principal ingrediente no cúprico del bronce a finales del tercer milenio a. C. ^{[ 84 ]} El estaño puro fue aislado por primera vez en el año 1800 a. C. por metalúrgicos chinos y japoneses.

Los antiguos chinos e indios conocían el mercurio antes del año 2000 a. C., y se ha encontrado en tumbas egipcias que datan del año 1500 a. C.

La producción más antigua conocida de acero, una aleación de hierro y carbono, se observa en piezas de hierro excavadas en un yacimiento arqueológico en Anatolia ( Kaman-Kalehöyük ) que tienen casi 4000 años de antigüedad, datando del 1800 a. C. ^{[ 85 ] [ 86 ]}

Hacia el año 500 a. C., los fabricantes de espadas de Toledo, España , elaboraban las primeras formas de acero aleado añadiendo un mineral llamado wolframita , que contenía tungsteno y manganeso, al mineral de hierro (y carbono). El acero de Toledo resultante llamó la atención de Roma cuando Aníbal lo utilizó en las Guerras Púnicas . Pronto se convirtió en la base del armamento de las legiones romanas; estas espadas eran «más resistentes que cualquier otra espada existente y, debido a que… [no se rompían], proporcionaban una ventaja psicológica al soldado romano». ^{[ 87 ]}

En la América precolombina , entre los años 300 y 500 d. C., comenzaron a producirse en Panamá y Costa Rica objetos hechos de tumbaga , una aleación de cobre y oro. Eran comunes las pequeñas esculturas de metal y una amplia gama de ornamentos de tumbaga (y oro) formaban parte de las insignias habituales de las personas de alto estatus.

Casi al mismo tiempo, los indígenas ecuatorianos combinaban oro con una aleación de platino natural que contenía pequeñas cantidades de paladio, rodio e iridio, para producir miniaturas y máscaras de una aleación de oro blanco y platino. Los metalúrgicos involucrados calentaban el oro con granos de la aleación de platino hasta que el oro se fundía. Después de enfriarse, la masa resultante se martillaba y se volvía a calentar repetidamente hasta que se homogeneizaba, lo que equivalía a fundir todos los metales (alcanzar los puntos de fusión de los metales del grupo del platino en cuestión estaba más allá de la tecnología de la época). ^{[ 88 ] [ n 7 ]}

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  Una gota de estaño fundido solidificado
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  Vertiendo mercurio en una placa de Petri
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  El electro, una aleación natural de plata y oro, se utilizaba con frecuencia para acuñar monedas. En la imagen se muestra al dios griego Apolo y, en el anverso, un trípode de Delfos ( c. 310-305 a. C.).
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  Un plato hecho de peltre , una aleación de 85-99% de estaño y (generalmente) cobre. El peltre se utilizó por primera vez a principios de la Edad del Bronce en el Cercano Oriente.
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  Un pectoral (coraza ornamental) hecho de tumbaga , una aleación de oro y cobre.

Grecia antigua

Alrededor del año 340 a. C., en el Libro III de su tratado Meteorología , el antiguo filósofo griego Aristóteles clasificó las sustancias que se encuentran en la Tierra en metales y minerales. Esta última categoría incluía diversos minerales como el rejalgar , el ocre , el ruddle , el azufre, el cinabrio y otras sustancias a las que se refería como «piedras que no se pueden fundir». ^{[ 89 ]}

Los alquimistas árabes y medievales creían que todos los metales y la materia estaban compuestos del principio del azufre, padre de todos los metales y portador de la propiedad combustible, y del principio del mercurio, madre de todos los metales ^{[ n 8 ]} y portador de las propiedades de liquidez, fusibilidad y volatilidad. Estos principios no eran necesariamente las sustancias comunes, azufre y mercurio, que se encontraban en la mayoría de los laboratorios. Esta teoría reforzaba la creencia de que todos los metales estaban destinados a convertirse en oro en las entrañas de la tierra mediante las combinaciones adecuadas de calor, digestión, tiempo y eliminación de contaminantes, todo lo cual podía desarrollarse y acelerarse mediante el conocimiento y los métodos de la alquimia. ^{[ n 9 ]}

El arsénico, el zinc, el antimonio y el bismuto se hicieron conocidos, aunque al principio se les llamó semimetales o metales bastardos debido a su inmaleabilidad. Se cree que Alberto Magno fue el primero en aislar el arsénico de un compuesto en 1250, calentando jabón junto con trisulfuro de arsénico . El zinc metálico, que es quebradizo si es impuro, se aisló en la India hacia el año 1300 d. C. La primera descripción de un procedimiento para aislar el antimonio se encuentra en el libro De la pirotechnia de Vannoccio Biringuccio , de 1540. El bismuto fue descrito por Agrícola en De Natura Fossilium (c. 1546); en épocas anteriores se le había confundido con el estaño y el plomo debido a su parecido con estos elementos.

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  Arsénico, sellado en un recipiente para evitar el deslustre.
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  Fragmentos de zinc y un cubo ^de  1 cm³
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  Antimonio, mostrando su brillante lustre
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  Bismuto en forma cristalina, con una capa de oxidación muy fina, y un cubo de bismuto de 1  cm³ ^.

El primer texto sistemático sobre las artes de la minería y la metalurgia fue De la Pirotechnia (1540) de Vannoccio Biringuccio , que trata sobre el examen, la fusión y el trabajo de los metales.

Dieciséis años después, en 1556, Georgius Agricola publicó De Re Metallica , un tratado sobre la profesión de la minería, la metalurgia y las artes y ciencias accesorias, así como un extenso tratado sobre la industria química a lo largo del siglo XVI.

En su obra De Natura Fossilium (1546) dio la siguiente descripción de un metal :

El metal es un cuerpo mineral, por naturaleza líquido o semiduro. Este último puede fundirse con el calor del fuego, pero al enfriarse y perder todo el calor, vuelve a endurecerse y recupera su forma original. En esto se diferencia de la piedra, que se funde con el fuego, pues aunque esta última recupera su dureza, pierde su forma y propiedades originales.

Tradicionalmente, se reconocen seis tipos de metales: oro, plata, cobre, hierro, estaño y plomo. En realidad, existen otros, pues el mercurio es un metal, aunque los alquimistas discrepan al respecto, al igual que el bismuto . Los antiguos escritores griegos parecen haber ignorado el bismuto, por lo que Ammonio afirma con razón que existen muchas especies de metales, animales y plantas que desconocemos. El estibio, una vez fundido en el crisol y refinado, merece ser considerado un metal propiamente dicho, al igual que el plomo. Si, al fundirse, se añade una cierta proporción al estaño, se obtiene una aleación para libreros con la que se fabrican los tipos de imprenta.

Cada metal conserva su forma original al separarse de los metales con los que se mezcló. Por lo tanto, ni el electro ni el estaño son metales puros, sino aleaciones de dos metales. El electro es una aleación de oro y plata, y el estaño, de plomo y plata. Sin embargo, si se separa la plata del electro, queda oro y no electro; si se separa la plata del estaño, queda plomo y no estaño.

Sin embargo, no se puede determinar con certeza si el latón se encuentra en estado natural. Solo conocemos el latón artificial, que consiste en cobre teñido con el color del mineral calamina . Aun así, si se encontrara, sería un metal auténtico. El cobre negro y el blanco parecen ser diferentes del rojo.

Por lo tanto, el metal es por naturaleza sólido, como ya he dicho, o fluido, como en el caso singular del mercurio.

Pero basta ya de hablar de los tipos simples. ^{[ 91 ]}

El platino, el tercer metal precioso después del oro y la plata, fue descubierto en Ecuador entre 1736 y 1744 por el astrónomo español Antonio de Ulloa y su colega, el matemático Jorge Juan y Santacilia . Ulloa fue el primero en escribir una descripción científica del metal, en 1748.

En 1789, el químico alemán Martin Heinrich Klaproth aisló un óxido de uranio, que creyó que era el metal en sí. Posteriormente, a Klaproth se le atribuyó el descubrimiento del uranio. No fue hasta 1841 que el químico francés Eugène-Melchior Péligot preparó la primera muestra de uranio metálico. Henri Becquerel descubrió la radiactividad en 1896 utilizando uranio.

En la década de 1790, Joseph Priestley y el químico holandés Martinus van Marum observaron el efecto de las superficies metálicas en la deshidrogenación del alcohol, un avance que posteriormente condujo, en 1831, a la síntesis a escala industrial del ácido sulfúrico utilizando un catalizador de platino.

En 1803, el cerio fue el primero de los metales lantánidos en ser descubierto, en Bastnäs, Suecia, por Jöns Jakob Berzelius y Wilhelm Hisinger , e independientemente por Martin Heinrich Klaproth en Alemania. Los metales lantánidos fueron considerados rarezas hasta la década de 1960, cuando se desarrollaron métodos para separarlos de manera más eficiente. Posteriormente, se han utilizado en teléfonos móviles, imanes, láseres, iluminación, baterías, convertidores catalíticos y otras aplicaciones que hacen posible las tecnologías modernas.

Otros metales descubiertos y preparados durante este período fueron el cobalto, el níquel, el manganeso, el molibdeno, el tungsteno y el cromo; y algunos de los metales del grupo del platino , como el paladio, el osmio, el iridio y el rodio.

Todos los metales elementales descubiertos antes de 1809 tenían densidades relativamente altas; su peso se consideraba un criterio distintivo. A partir de 1809, se aislaron metales ligeros como el sodio, el potasio y el estroncio. Sus bajas densidades desafiaron las ideas convencionales sobre la naturaleza de los metales. Sin embargo, se comportaban químicamente como metales y, posteriormente, fueron reconocidos como tales.

El aluminio se descubrió en 1824, pero no fue hasta 1886 que se desarrolló un método de producción industrial a gran escala. Los precios del aluminio bajaron y, durante la década de 1890 y principios del siglo XX, su uso se extendió a la joyería, artículos de uso cotidiano, monturas de gafas, instrumentos ópticos, vajillas y papel de aluminio. Su capacidad para formar aleaciones duras y ligeras con otros metales le proporcionó numerosos usos en aquella época. Durante la Primera Guerra Mundial, los principales gobiernos exigieron grandes cantidades de aluminio para la fabricación de fuselajes ligeros y resistentes.

Aunque el titanio metálico puro (99,9 %) se preparó por primera vez en 1910, no se utilizó fuera del laboratorio hasta 1932. En las décadas de 1950 y 1960, la Unión Soviética fue pionera en el uso del titanio en aplicaciones militares y submarinas como parte de programas relacionados con la Guerra Fría. A partir de principios de la década de 1950, el titanio comenzó a utilizarse en la aviación militar, particularmente en aviones a reacción de alto rendimiento, comenzando con aeronaves como el F-100 Super Sabre y los Lockheed A-12 y SR-71 .

El escandio metálico se produjo por primera vez en 1937. La primera libra de escandio metálico con una pureza del 99 % se produjo en 1960. La producción de aleaciones de aluminio-escandio comenzó en 1971 tras la obtención de una patente estadounidense. En la URSS también se desarrollaron aleaciones de aluminio-escandio.

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  Trozos de sodio
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  Perlas de potasio en aceite de parafina. El tamaño de la perla más grande es de 0,5  cm.
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  Cristales de estroncio
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  Trozo de aluminio, 2,6  gramos, 1 x 2 cm
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  Una barra de cristales de titanio
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  Escandio, incluyendo un cubo ^de  1 cm³

La era moderna de la siderurgia comenzó con la introducción del proceso Bessemer de Henry Bessemer en 1855, cuya materia prima era el arrabio. Su método le permitió producir acero en grandes cantidades a bajo costo, por lo que el acero dulce pasó a utilizarse para la mayoría de los fines para los que antes se utilizaba el hierro forjado. El proceso Gilchrist-Thomas (o proceso Bessemer básico ) fue una mejora del proceso Bessemer, que consistía en revestir el convertidor con un material básico para eliminar el fósforo.

Debido a su alta resistencia a la tracción y su bajo coste, el acero se convirtió en un componente principal utilizado en edificios , infraestructuras , herramientas , barcos , automóviles , máquinas , electrodomésticos y armas .

En 1872, los ingleses Clark y Woods patentaron una aleación que hoy se consideraría acero inoxidable . La resistencia a la corrosión de las aleaciones de hierro-cromo ya había sido reconocida en 1821 por el metalúrgico francés Pierre Berthier , quien observó su resistencia al ataque de algunos ácidos y sugirió su uso en la fabricación de cubiertos. Los metalúrgicos del siglo XIX no lograron producir la combinación de bajo contenido de carbono y alto contenido de cromo que se encuentra en la mayoría de los aceros inoxidables modernos, y las aleaciones con alto contenido de cromo que sí pudieron producir eran demasiado frágiles para ser prácticas. No fue hasta 1912 que se produjo la industrialización de las aleaciones de acero inoxidable en Inglaterra, Alemania y Estados Unidos.

En 1900, aún quedaban por descubrir tres metales con números atómicos inferiores al del plomo (n.º 82), el metal estable más pesado: los elementos 71, 72 y 75.

En 1906, Von Welsbach demostró que el iterbio antiguo también contenía un nuevo elemento (n.º 71), al que denominó casiopio . Urbain lo demostró simultáneamente, pero sus muestras eran muy impuras y solo contenían cantidades ínfimas del nuevo elemento. A pesar de ello, se adoptó el nombre que él eligió: lutecio .

En 1908, Ogawa encontró el elemento 75 en la torianita, pero lo asignó como elemento 43 en lugar de 75 y lo denominó niponio . En 1925, Walter Noddack, Ida Eva Tacke y Otto Berg anunciaron su separación de la gadolinita y le dieron el nombre actual de renio .

Georges Urbain afirmó haber encontrado el elemento 72 en residuos de tierras raras, mientras que Vladimir Vernadsky lo halló de forma independiente en ortita. Ninguna de las dos afirmaciones se confirmó debido a la Primera Guerra Mundial, ni pudo confirmarse posteriormente, ya que la química que describieron no coincide con la que se conoce actualmente para el hafnio . Tras la guerra, en 1922, Coster y Hevesy lo hallaron mediante análisis espectroscópico de rayos X en circón noruego. El hafnio fue, por tanto, el último elemento estable en ser descubierto, aunque el renio fue el último en ser reconocido correctamente.

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  Lutecio, incluido un cubo de 1  cm ³
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  Renio, incluyendo un cubo ^de  1 cm³
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  Hafnio, en forma de una  barra de 1,7 kg

Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, los científicos habían sintetizado cuatro elementos posteriores al uranio, todos ellos metales radiactivos (inestables): neptunio (en 1940), plutonio (1940-1941) y curio y americio (1944), correspondientes a los elementos 93 a 96. Los dos primeros también se encontraron posteriormente en la naturaleza. El curio y el americio fueron subproductos del Proyecto Manhattan, que produjo la primera bomba atómica del mundo en 1945. La bomba se basaba en la fisión nuclear del uranio, un metal que se creía descubierto casi 150 años antes.