Carácter metálico
El carácter metálico describe hasta qué punto un elemento presenta el comportamiento químico y físico asociado a los metales: facilidad para perder o deslocalizar electrones, conducción eléctrica y térmica, enlace metálico y, con frecuencia, maleabilidad y brillo. La tendencia periódica es útil, pero «metálico» es un concepto más rico que un único número de un átomo aislado.
Origen atómico de la tendencia periódica
A lo largo de un período de los grupos principales aumenta la atracción nuclear efectiva y suele disminuir el radio atómico, por lo que resulta más difícil extraer los electrones de valencia. El carácter metálico disminuye así de izquierda a derecha. Al descender por un grupo, los electrones externos ocupan capas mayores y más apantalladas y se eliminan con mayor facilidad, por lo que el carácter metálico suele aumentar.
Esto relaciona el carácter metálico con la energía de ionización: una primera energía de ionización baja suele acompañar a un fuerte comportamiento electropositivo. Los metales alcalinos son el ejemplo más claro; cada uno posee un electrón ns fuera de un núcleo de gas noble y forma M⁺ con facilidad.
El enlace metálico no consiste simplemente en «perder electrones»
En un metal sólido, los electrones de valencia no se eliminan literalmente de la muestra. Se deslocalizan sobre muchos átomos y ocupan estados electrónicos extendidos. Los núcleos iónicos positivos y el sistema electrónico compartido forman el sólido metálico.
Esta distinción importa. La energía de ionización describe un átomo aislado en fase gaseosa, mientras que la conductividad y el enlace metálico describen una fase condensada formada por muchos átomos. Las magnitudes se correlacionan porque ambas dependen de la unión de los electrones de valencia, pero no son definiciones idénticas.
Metaloides y frontera difusa
La frontera entre metal y no metal no es una escalera nítida dictada por la física fundamental. Elementos como Si, Ge, As y Sb muestran comportamientos intermedios o dependientes del contexto y suelen denominarse metaloides. Sus estructuras de bandas semiconductoras pueden modificarse drásticamente mediante la temperatura y el dopaje.
Metal típico
Buen conductor; electrones de valencia relativamente deslocalizados; suele formar cationes y sólidos metálicos.
No metal típico
Electrones de valencia más localizados; con frecuencia presenta enlaces covalentes moleculares o de red, o forma aniones.
Metaloide
Estructura electrónica intermedia; a menudo muestra comportamiento semiconductor en lugar de una conducción metálica simple.
Metales de transición, estructura y excepciones
Los metales de transición siguen siendo metálicos a lo largo del bloque d aunque sus primeras energías de ionización no sigan una regla simple de izquierda a derecha. Las bandas d parcialmente ocupadas proporcionan numerosos estados electrónicos y un enlace metálico fuerte. Sus estados de oxidación, magnetismo y comportamiento catalítico dependen de la ocupación de electrones d.
La estructura cristalina, la presión y la alotropía también pueden modificar el comportamiento metálico. Algunos elementos presentan fases sólidas diferentes con propiedades eléctricas muy distintas. Bajo presiones extremas, incluso elementos normalmente no metálicos pueden evolucionar hacia estados metálicos porque cambian el solapamiento orbital y la anchura de las bandas.
Así, la flecha periódica predice una tendencia química general; la estructura de bandas y la fase determinan el comportamiento eléctrico real de un material.
El período 3 muestra una transición química, no solo un cambio de color en una tabla
Na, Mg y Al son metales con sólidos metálicos y una química relativamente electropositiva. El silicio es un semiconductor de red covalente. El fósforo, el azufre, el cloro y el argón son sustancias no metálicas, moleculares o atómicas, en condiciones ordinarias. El cambio a lo largo del período se observa, por tanto, en el enlace, la conductividad y las estructuras de los sólidos elementales.
Sus óxidos también cambian. Na₂O y MgO son óxidos iónicos fuertemente básicos; Al₂O₃ es anfótero; SiO₂ es un óxido ácido de red covalente; los óxidos superiores de fósforo, azufre y cloro son moleculares/covalentes y forman disoluciones ácidas o ácidos al hidratarse. El cambio en el carácter de los óxidos es una de las manifestaciones químicas más claras de la disminución del carácter metálico.
Las propiedades metálicas son tendencias, no una lista que todo metal deba cumplir
El mercurio es líquido a temperatura ambiente; el galio se funde en la mano; algunos metales son frágiles; la conductividad varía en varios órdenes de magnitud. Un material no deja de ser metálico por carecer de una propiedad típica de manual, como un punto de fusión alto o una gran dureza mecánica.
La clasificación más profunda procede de la estructura electrónica y del enlace: bandas parcialmente llenas o bandas de valencia y conducción solapadas proporcionan portadores móviles y cohesión metálica.
La presión puede cambiar la clasificación
Comprimir la materia modifica el solapamiento orbital. A una presión suficientemente alta, las bandas prohibidas pueden cerrarse y un material aislante a presión ambiente puede volverse metálico. El hidrógeno es el caso límite más conocido: la teoría predice estados metálicos bajo compresión extrema porque los electrones se deslocalizan a través de una red densa.
Esto no altera la tendencia periódica ordinaria; muestra que el «carácter metálico» es tanto una propiedad de un elemento en un estado estructural y termodinámico determinado como una tendencia atómica.
El carácter metálico y la electropositividad están relacionados, pero no son idénticos
La electropositividad describe la tendencia de un átomo a ceder densidad electrónica o formar un ion positivo. El carácter metálico incluye esa tendencia, pero también las propiedades colectivas del sólido elemental. El cesio es muy electropositivo, mientras que un metal de transición como el cobre combina un comportamiento de ionización menos extremo con una excelente conductividad eléctrica gracias a su estructura de bandas.
Usar ambas ideas evita un atajo frecuente: el elemento «más metálico» no se determina mediante un único número. La ionización atómica, el enlace, la estructura cristalina y las bandas electrónicas describen distintos niveles del fenómeno.
Ejercicios
¿Na o Mg?
¿Cuál es generalmente más metálico en el período 3?
Solución
Na. Su electrón de valencia se elimina con mayor facilidad y su radio atómico es mayor.
¿Li o Cs?
¿Cuál es más metálico dentro del grupo 1?
Solución
Cs según la tendencia general del grupo: su electrón externo está más lejos del núcleo y más apantallado.
Ionización frente a conducción
¿Por qué la primera energía de ionización no es por sí sola una medida completa de la conductividad eléctrica?
Solución
La energía de ionización se refiere a un átomo aislado. La conductividad depende de la estructura de bandas y de los estados portadores del sólido, que es una propiedad colectiva de muchos átomos.