Tema 46

Els metalls constitueixen aproximadament el 80 % dels elements químics i han donat nom a etapes senceres de la història (Edat del Coure, del Bronze, del Ferro). La seua importància científica, tecnològica i econòmica és difícil d'exagerar: sostenen la construcció, el transport, l'electrònica i la producció d'energia. Comprendre els metalls exigeix integrar continguts d'enllaç químic, taula periòdica, reaccions redox i electroquímica, per la qual cosa aquest tema actua com a síntesi de bona part de la química inorgànica que l'alumnat ha anat construint.

En el temari oficial (Orden de 9 de septiembre de 1993) aquest tema se situa en el bloc de química descriptiva dels elements. Ací s'estableixen les característiques dels metalls i la seua variació per grups, els mètodes d'obtenció (metal·lúrgia i electrometal·lúrgia), les seues propietats físiques i químiques, els compostos que formen i les seues aplicacions, els aliatges i, finalment, l'interés econòmic d'alguns d'ells. El fil conductor és una idea unificadora: quasi tota la química dels metalls s'explica per la seua tendència a cedir electrons, és a dir, pel seu caràcter reductor.

1. Els metalls i les característiques dels diferents grups

Posició en la taula periòdica i enllaç metàl·lic

Els metalls ocupen la part esquerra i central del sistema periòdic. Es distingeixen dels no metalls per una línia escalonada (del bor a l'àstat) junt a la qual se situen els semimetalls o metal·loides (B, Si, Ge, As, Sb, Te), de propietats intermèdies. Per blocs trobem:

• Bloc s: metalls alcalins (grup 1) i alcalinoterris (grup 2).
• Bloc d: metalls de transició (grups 3 a 12).
• Bloc f: metalls de transició interna (lantànids i actínids).
• Bloc p: metalls de posttransició (Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi).

La cohesió d'un metall s'explica pel enllaç metàl·lic. En el model del mar d'electrons (Drude), els àtoms cedeixen els seus electrons de valència a un "gas" deslocalitzat que banya els cations ordenats en una xarxa compacta. Una descripció més rigorosa la dóna la teoria de bandes: els orbitals atòmics es combinen en bandes d'energia quasi contínues; en els metalls la banda de valència està parcialment ocupada o s'encavalca amb la de conducció, de manera que els electrons poden moure's lliurement sota un camp elèctric. Aquest model explica d'un sol colp la conductivitat, la lluïssor i la mal·leabilitat.

Propietats periòdiques i caràcter metàl·lic

El caràcter metàl·lic augmenta en descendir en un grup i disminueix en avançar al llarg d'un període. Es correlaciona amb baixa energia d'ionització i baixa electronegativitat: per això els metalls perden electrons amb facilitat i formen cations. Els àtoms amb pocs electrons de valència i radis grans són els més metàl·lics (d'ací que el franci i el cesi encapçalen la sèrie).

Característiques per grups

• Grup 1 — metalls alcalins ($ns^1$: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr). Molt tous (es tallen amb espàtula), de baixa densitat i baix punt de fusió. Són els metalls més reactius; formen sempre cations $+1$ i reaccionen violentament amb l'aigua:

$$2\,\mathrm{Na} + 2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{NaOH} + \mathrm{H_2}$$

• Grup 2 — metalls alcalinoterris ($ns^2$: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). Més durs, densos i amb punts de fusió més alts que els del grup 1. Formen cations $+2$. La seua reactivitat creix en baixar en el grup.

• Metalls de transició (bloc d). Presenten estats d'oxidació variables (per participació dels electrons $d$), formen compostos acolorits i nombrosos complexos de coordinació, molts són paramagnètics o ferromagnètics (Fe, Co, Ni) i actuen com a catalitzadors. Tenen densitats i punts de fusió elevats (el wolframi fon a $3422\ \mathrm{^{\circ}C}$).

• Transició interna (bloc f). Lantànids i actínids; química molt similar dins de cada sèrie per l'escassa influència dels electrons $f$ interns (contracció lantànida). Inclouen les "terres rares", hui estratègiques.

• Metalls de posttransició (bloc p). Al, Sn, Pb, Bi: més tous, amb punts de fusió més baixos i cert caràcter covalent en els seus enllaços.

2. Obtenció i propietats dels metalls

Obtenció: la metal·lúrgia

Llevat dels metalls molt poc reactius, que apareixen natius (Au, Pt, de vegades Ag i Cu), la majoria es troben combinats en minerals: òxids ($\mathrm{Fe_2O_3}$, $\mathrm{Al_2O_3}$), sulfurs ($\mathrm{ZnS}$, $\mathrm{PbS}$), carbonats ($\mathrm{CaCO_3}$), halogenurs ($\mathrm{NaCl}$) o silicats. La metal·lúrgia comprèn les etapes d'extracció, concentració del mineral (flotació, separació magnètica), reducció del catió metàl·lic a metall i refinament o afinament. L'etapa clau és la reducció, i el seu mètode depèn de la reactivitat del metall:

• Pirometal·lúrgia (reducció amb carboni a alta temperatura). És la via del ferro en l'alt forn, on el reductor real és el monòxid de carboni:

$$\mathrm{Fe_2O_3} + 3\,\mathrm{CO} \rightarrow 2\,\mathrm{Fe} + 3\,\mathrm{CO_2}$$

Els sulfurs es torren primer per passar-los a òxid:

$$2\,\mathrm{ZnS} + 3\,\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{ZnO} + 2\,\mathrm{SO_2}$$

• Reducció aluminotèrmica (termita). L'alumini, molt àvid d'oxigen, redueix òxids d'altres metalls amb gran despreniment de calor:

$$\mathrm{Fe_2O_3} + 2\,\mathrm{Al} \rightarrow 2\,\mathrm{Fe} + \mathrm{Al_2O_3}$$

• Electrometal·lúrgia (electròlisi). Imprescindible per als metalls molt reactius, que el carboni no pot reduir. L'alumini s'obté pel procés Hall–Héroult, electrolitzant $\mathrm{Al_2O_3}$ dissolt en criolita fosa ($\mathrm{Na_3AlF_6}$). En el càtode:

$$\mathrm{Al^{3+}} + 3\,\mathrm{e^-} \rightarrow \mathrm{Al}$$

i el procés global (amb ànodes de carboni que es consumeixen) pot escriure's $2\,\mathrm{Al_2O_3} + 3\,\mathrm{C} \rightarrow 4\,\mathrm{Al} + 3\,\mathrm{CO_2}$. El sodi s'obté per electròlisi de $\mathrm{NaCl}$ fos en la cel·la de Downs ($2\,\mathrm{NaCl} \rightarrow 2\,\mathrm{Na} + \mathrm{Cl_2}$). Va ser Humphry Davy qui va aïllar per electròlisi Na, K, Ca, Mg i Ba a principis del segle XIX.

• Hidrometal·lúrgia. Lixiviació del mineral en dissolució i posterior reducció; per exemple, la cementació del coure amb ferro:

$$\mathrm{Cu^{2+}} + \mathrm{Fe} \rightarrow \mathrm{Cu} + \mathrm{Fe^{2+}}$$

La viabilitat termodinàmica de cada reducció s'analitza amb els diagrames d'Ellingham, que representen l'energia de Gibbs de formació dels òxids enfront de la temperatura.

Propietats físiques

S'expliquen per l'enllaç metàl·lic i la teoria de bandes:

• Lluïssor metàl·lica: els electrons lliures reemeten la llum incident.
• Alta conductivitat elèctrica i tèrmica: portada pels electrons deslocalitzats; disminueix en augmentar la temperatura.
• Mal·leabilitat i ductilitat: els plans de cations llisquen sense trencar l'enllaç, ja que el mar electrònic es readapta.
• Densitat i punts de fusió alts (especialment en els de transició); són sòlids a temperatura ambient llevat del mercuri, líquid.

Propietats químiques

Els metalls són agents reductors: s'oxiden cedint electrons. La seua reactivitat s'ordena en la sèrie electroquímica segons el potencial normal de reducció $E^{\circ}$ (com més negatiu, més reductor):

$$\mathrm{Li^+/Li}\ (-3{,}04\ \mathrm{V}) < \mathrm{Na^+/Na}\ (-2{,}71) < \mathrm{Zn^{2+}/Zn}\ (-0{,}76) < \mathrm{Cu^{2+}/Cu}\ (+0{,}34) < \mathrm{Au^{3+}/Au}\ (+1{,}50)$$

D'ací es deriven les seues reaccions característiques:

• Amb oxigen, formant òxids bàsics: $2\,\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{MgO}$.
• Amb àcids (els situats per damunt de l'hidrogen), alliberant $\mathrm{H_2}$: $\mathrm{Zn} + 2\,\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{ZnCl_2} + \mathrm{H_2}$.
• Amb aigua (alcalins i alcalinoterris), donant hidròxids i hidrogen.
• Amb halògens, formant halogenurs iònics.

3. Compostos que originen i aplicacions

Pel seu caràcter electropositiu, els metalls formen compostos majoritàriament iònics, en els quals aporten el catió.

• Òxids metàl·lics ($\mathrm{Na_2O}$, $\mathrm{CaO}$, $\mathrm{Fe_2O_3}$): són òxids bàsics; amb aigua donen hidròxids: $\mathrm{CaO} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{Ca(OH)_2}$.
• Hidròxids ($\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{Ca(OH)_2}$): bases fortes o moderades, essencials en la indústria química (sosa càustica, calç apagada).
• Sals ($\mathrm{NaCl}$, $\mathrm{CaCO_3}$, $\mathrm{CuSO_4}$): procedeixen de la neutralització àcid–base i són omnipresents en la naturalesa i la indústria.
• Compostos de coordinació dels metalls de transició, en els quals el catió actua com a àcid de Lewis (per exemple, $[\mathrm{Cu(NH_3)_4}]^{2+}$), base de la catàlisi, la bioquímica (hemoglobina, clorofil·la) i els pigments.

Algunes aplicacions representatives: el ferro i l'acer en construcció i maquinària; l'alumini en aeronàutica, envasos i conduccions; el coure en el cablejat elèctric per la seua altíssima conductivitat; l'or i la plata en electrònica de precisió, joieria i reserves; el liti en les bateries recarregables; el titani, lleuger i biocompatible, en pròtesis i implants; el wolframi en filaments i eines de tall pel seu elevadíssim punt de fusió.

4. Aliatges

Un aliatge és un material amb propietats metàl·liques format per la unió íntima de dos o més elements, dels quals almenys un és un metall. Estructuralment sol ser una dissolució sòlida, que pot ser:

• Substitucional: els àtoms de solut reemplacen els del dissolvent en la xarxa (requereix radis i estructures similars; p. ex. Cu–Ni, llautó).
• Intersticial: àtoms petits s'allotgen en els buits de la xarxa (p. ex. el carboni en el ferro per donar acer).

Els aliatges es preparen per fusió i solidificació controlades; el seu comportament s'estudia amb diagrames de fases, en els quals destaquen punts notables com l'eutèctic (mescla de menor punt de fusió). Enfront del metall pur, l'aliatge sol millorar duresa, resistència mecànica, resistència a la corrosió o rebaixar el punt de fusió. Exemples clàssics:

• Acer (Fe + C, <2 % C): base de la indústria; Henry Bessemer va revolucionar la seua producció massiva el 1855.
• Acer inoxidable (Fe–Cr–Ni): resistent a la corrosió gràcies a la capa passiva d'òxid de crom.
• Bronze (Cu–Sn) i llautó (Cu–Zn): resistents i de bona mecanitzabilitat.
• Duralumini (Al–Cu–Mg): lleuger i resistent, per a estructures aeronàutiques.
• Soldadura tova (Sn–Pb, hui Sn–Ag–Cu sense plom) i amalgames (aliatges amb mercuri).

5. Interés econòmic d'alguns d'ells

El valor econòmic dels metalls i els seus aliatges deriva tant de les seues propietats com de la seua disponibilitat i del cost energètic de la seua obtenció.

• L'acer és el material estructural per excel·lència: la seua producció anual (més de 1800 milions de tones) és un indicador del desenvolupament industrial. El seu baix cost i la seua reciclabilitat (la ferralla es refon indefinidament) el fan insubstituïble.
• L'alumini competeix amb l'acer on importa la lleugeresa (transport, envasos). Encara que la seua obtenció primària és molt intensiva en energia, el seu reciclatge consumeix només el $\sim 5\ \%$ d'aquesta energia, cosa que li dóna gran valor circular.
• El coure és termòmetre de l'economia pel seu ús en electrificació i infraestructures; la seua demanda creix amb la transició energètica.
• El liti i les terres rares s'han tornat materials crítics: imprescindibles per a bateries, imants permanents i electrònica, amb reserves geogràficament concentrades i per això amb implicacions geoestratègiques. La Unió Europea publica llistes periòdiques de matèries primeres crítiques.
• Els metalls preciosos (Au, Ag, Pt) conserven valor com a reserva, en catàlisi i en electrònica.

La sostenibilitat exigeix hui prioritzar l'economia circular: mineria responsable, eficiència energètica en l'obtenció i, sobretot, reciclatge, ja que els metalls no es destrueixen i la seua recuperació estalvia energia i matèria primera.

Aplicació didàctica

En el currículum LOMLOE (Real Decreto 217/2022), els continguts d'aquest tema es distribueixen al llarg de l'etapa. En l'ESO, els metalls apareixen en estudiar la classificació de la matèria (elements, taula periòdica), l'enllaç químic i les reaccions químiques, amb especial presència en 3r i 4t d'ESO (enllaç metàl·lic, reactivitat, oxidació i corrosió). En Batxillerat, la química de 2n aprofundeix en el enllaç metàl·lic i la teoria de bandes, i sobretot en les reaccions redox i l'electroquímica (piles, electròlisi, obtenció de metalls), on aquest tema troba el seu marc quantitatiu.

És un contingut idoni per a la competència STEM i per dissenyar situacions d'aprenentatge en contextos reals: el reciclatge de metalls, la corrosió del ferro i la seua prevenció, o la construcció de piles senzilles (Daniell, pila de llima). L'enfocament d'indagació permet connectar propietats, obtenció i usos.

Convé anticipar idees prèvies i errors freqüents: creure que un aliatge és un compost quan és una mescla (dissolució sòlida); pensar que tots els metalls reaccionen amb l'aigua o amb els àcids (l'or i el platí no ho fan); confondre oxidació amb combustió; suposar que en oxidar-se un metall "desapareix" massa, quan en realitat la corrosió incorpora oxigen i augmenta la massa; o identificar la conductivitat únicament amb els cables sense relacionar-la amb l'estructura de l'enllaç. El treball experimental i la interpretació de la sèrie electroquímica resulten molt eficaços per corregir aquestes concepcions.

Conclusió

Els metalls es comprenen a partir d'una idea central —la seua tendència a cedir electrons— que enllaça l'enllaç metàl·lic, la posició en la taula periòdica i el seu comportament com a reductors. D'ella es deriven tant les seues propietats (lluïssor, conductivitat, mal·leabilitat) com els mètodes d'obtenció, que escalen en energia segons la reactivitat del metall, des de la reducció amb carboni fins a l'electròlisi. Els compostos que originen (òxids bàsics, hidròxids, sals i complexos) i els aliatges amplien enormement la seua utilitat pràctica, mentre que el seu interés econòmic els situa en el centre del desenvolupament industrial i de l'actual transició energètica. El tema integra així química descriptiva, redox i electroquímica, i ofereix un context privilegiat per mostrar la connexió entre estructura, propietats i aplicacions de la matèria.