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Física y Química 3.º ESO · El enlace metálico y las propiedades de los metales

El enlace metálico: el modelo del mar de electrones

Objetivo: Al terminar, sabrás describir el enlace metálico como una red de cationes rodeada de un «mar» de electrones libres, dibujar el modelo para un metal sencillo y distinguirlo del enlace iónico y del covalente.

Explicación

¿Cómo se unen los átomos de un metal?

En un trozo de hierro, de cobre o de aluminio solo hay átomos metálicos. Todos tienen pocos electrones en la última capa y tienden a perderlos, pero no hay ningún no metal que los acepte. ¿Qué ocurre entonces?

El modelo del mar de electrones

Cada átomo del metal suelta sus electrones de la última capa y se convierte en un catión (ion positivo).
Los cationes se colocan ordenados, muy juntos, formando una red cristalina.
Los electrones que se han soltado no pertenecen a ningún átomo concreto: se mueven libremente entre los cationes por todo el metal. Forman una especie de «mar» o «nube» de electrones.
Los cationes (positivos) y el mar de electrones (negativo) se atraen: esa atracción mantiene unido el metal.

Enlace metálico: unión entre los átomos de un metal formada por una red de cationes rodeada de electrones libres que se mueven entre ellos. Se da entre átomos de metales.

Un dibujo sencillo del modelo (para el sodio, que pierde 1 electrón):

$\begin{matrix} \oplus & \text{e}^{-} & \oplus & \text{e}^{-} \\ \text{e}^{-} & \oplus & \text{e}^{-} & \oplus \\ \oplus & \text{e}^{-} & \oplus & \text{e}^{-} \end{matrix}$

Cada $\oplus$ es un catión $\text{Na}^{+}$ y los $\text{e}^{-}$ se mueven por todos los huecos. Hay tantos electrones como cationes, porque cada sodio aporta 1.

Cuántos electrones aporta cada átomo

Cada átomo aporta al mar los electrones de su última capa:

Sodio (grupo 1): 1 electrón → cationes $\text{Na}^{+}$ .
Magnesio (grupo 2): 2 electrones → cationes $\text{Mg}^{2+}$ .
Aluminio (grupo 13): 3 electrones → cationes $\text{Al}^{3+}$ .

El metal en conjunto es neutro: hay tantas cargas negativas en el mar como positivas en los cationes.

Los tres tipos de enlace, comparados

Enlace	Entre…	Qué hacen los electrones	Qué partículas forma
Iónico	metal + no metal	pasan del metal al no metal (transferencia)	red de iones (cristal iónico)
Covalente	no metal + no metal	se comparten por pares entre dos átomos	moléculas (o redes covalentes)
Metálico	metal + metal	se comparten entre todos los cationes (mar de electrones)	red de cationes con electrones libres

Como no hay moléculas, la fórmula de un metal es simplemente su símbolo: Fe, Cu, Al.

Puntos clave

El enlace metálico se da entre átomos de metales.
Cada átomo pierde los electrones de su última capa y queda como catión.
Los cationes forman una red ordenada y los electrones se mueven libremente entre ellos (mar de electrones).
La atracción entre los cationes y el mar de electrones mantiene unido el metal.
Los electrones no pertenecen a ningún átomo concreto: los comparten todos.
En un metal no hay moléculas; su fórmula es su símbolo (Fe, Cu, Al).

Errores frecuentes

ErrorPensar que en un metal hay iones positivos y negativos, como en la sal.
Cómo corregirloEn un metal solo hay cationes; la carga negativa la ponen los electrones libres, no aniones.
ErrorCreer que los electrones del mar «se escapan» del metal y que este queda cargado.
Cómo corregirloLos electrones se mueven dentro del metal, entre los cationes. En conjunto hay tantas cargas negativas como positivas: el metal es neutro.
ErrorConfundir el enlace metálico con el covalente porque «se comparten electrones».
Cómo corregirloEn el covalente se comparte un par entre dos átomos concretos; en el metálico los electrones son de todos los cationes a la vez.
ErrorDecir que el enlace metálico es entre un metal y un no metal.
Cómo corregirloMetal + no metal es iónico. El metálico es entre átomos de metales (del mismo o de varios metales, como en una aleación).

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Dibuja el modelo del magnesio modelo de partículas (dibujo)
El magnesio ( $Z = 12$ ) es un metal ligero que se usa en llantas de coches de competición y en carcasas de portátiles. Dibuja el modelo del mar de electrones para un trozo de magnesio con 9 átomos y explica tu dibujo.

Resolución
1. Electrones de la última capa: Mg: 2, 8, 2. Cada átomo suelta 2 electrones y queda como catión $\text{Mg}^{2+}$ (2, 8).

2. Dibujo: 9 cationes $\text{Mg}^{2+}$ en 3 filas de 3, bien ordenados, y entre ellos $9 \cdot 2 = 18$ electrones repartidos por todos los huecos:

$\begin{matrix} \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} & \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} & \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} \\ \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} & \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} & \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} & \text{Mg}^{2+} \\ \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} & \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} & \text{Mg}^{2+} & \text{e}^{-}\ \text{e}^{-} \end{matrix}$

(En el dibujo están los 9 cationes y 18 electrones; lo importante es que los electrones no están «pegados» a ningún catión.)

3. Carga total: $9 \cdot (+2) + 18 \cdot (-1) = 0$ . El trozo de magnesio es neutro.
Ejemplo 2. ¿Cuántos electrones libres? numérico
Imagina un trocito diminuto de papel de aluminio ( $Z = 13$ ) con 1000 átomos. a) ¿Cuántos cationes hay y con qué carga? b) ¿Cuántos electrones forman el mar de electrones? c) Si fuera un trocito de sodio con 1000 átomos, ¿cuántos electrones libres habría?

Resolución
a) Al: 2, 8, 3. Cada átomo pierde 3 electrones: hay 1000 cationes $\text{Al}^{3+}$ .

b) Electrones libres $= 1000 \cdot 3 = 3000$ electrones. Comprobación de neutralidad: $1000 \cdot (+3) + 3000 \cdot (-1) = 0$ .

c) Na: 2, 8, 1. Cada átomo aporta 1 electrón: $1000 \cdot 1 = 1000$ electrones libres.

El aluminio aporta tres veces más electrones al mar que el sodio por cada átomo.
Ejemplo 3. Tres enlaces, tres formas de «arreglarse» con los electrones comparación (analogía)
Indica qué tipo de enlace hay en cada sustancia y qué hacen los electrones en cada caso: a) una moneda de cobre; b) la sal de cocina (cloruro de sodio); c) el gas cloro, $\text{Cl}_2$ ; d) el latón de una llave (aleación de cobre y cinc).

Resolución
a) Metálico (solo cobre, un metal): los átomos de cobre quedan como cationes ordenados en una red y sus electrones de la última capa se mueven libremente entre todos ellos.

b) Iónico (sodio, metal, y cloro, no metal): el sodio cede su electrón al cloro y se forman iones $\text{Na}^{+}$ y $\text{Cl}^{-}$ que se atraen.

c) Covalente (dos átomos de cloro, no metales): comparten un par de electrones; se forman moléculas $\text{Cl}-\text{Cl}$ .

d) Metálico (cobre y cinc, los dos metales): cationes de cobre y de cinc mezclados en la red, con un mar de electrones común.

Una analogía: en el iónico un átomo regala electrones a otro; en el covalente dos átomos comparten un par, como dos amigos que comparten un paraguas; en el metálico todos los átomos ponen sus electrones en un fondo común que usan entre todos.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Completa: El enlace metálico se da entre átomos de ______. Cada átomo pierde los electrones de su ______ capa y se convierte en un ______. Los cationes forman una ______ ordenada y los electrones se mueven ______ entre ellos, formando un «mar» de electrones. El metal se mantiene unido por la ______ entre los cationes y los electrones.

Ver solución
metales; última; catión; red; libremente; atracción
El enlace metálico se da entre átomos de metales. Cada átomo pierde los electrones de su última capa y se convierte en un catión. Los cationes forman una red ordenada y los electrones se mueven libremente entre ellos. El metal se mantiene unido por la atracción entre los cationes y los electrones.
2. Fácil
Para cada metal, indica cuántos electrones aporta cada átomo al mar de electrones y qué catión queda: a) potasio ( $Z = 19$ ) b) calcio ( $Z = 20$ ) c) aluminio ( $Z = 13$ ) d) litio ( $Z = 3$ )

Ver solución
a) 1, $\text{K}^{+}$ b) 2, $\text{Ca}^{2+}$ c) 3, $\text{Al}^{3+}$ d) 1, $\text{Li}^{+}$
a) K: 2, 8, 8, 1 → aporta 1 → $\text{K}^{+}$ . b) Ca: 2, 8, 8, 2 → aporta 2 → $\text{Ca}^{2+}$ . c) Al: 2, 8, 3 → aporta 3 → $\text{Al}^{3+}$ . d) Li: 2, 1 → aporta 1 → $\text{Li}^{+}$ .
3. Media
Dibuja el modelo del mar de electrones para un trozo de potasio con 8 átomos. ¿Cuántos electrones libres tienes que dibujar? Comprueba que el conjunto es neutro.
Ver solución
8 cationes $\text{K}^{+}$ ordenados y 8 electrones libres entre ellos; $8\cdot(+1) + 8\cdot(-1) = 0$ .
- K: 2, 8, 8, 1 → cada átomo aporta 1 electrón y queda $\text{K}^{+}$ .
- Dibujo: 8 círculos con «+» en dos filas de 4 y 8 electrones repartidos por los huecos (no pegados a ningún catión).
- Carga: $8 \cdot (+1) + 8 \cdot (-1) = 0$ → neutro.
4. Media
El sodio aparece en la sal (cloruro de sodio) y también como metal puro (un metal blando que se corta con un cuchillo). a) ¿Qué le pasa al electrón de la última capa del sodio en la sal? ¿Y en el sodio metálico? b) ¿En cuál de los dos el electrón pertenece a un átomo concreto?

Ver solución
a) En la sal pasa al cloro; en el metal queda libre entre todos los cationes. b) En la sal: pertenece al ion cloruro.
a) En la sal (enlace iónico), el sodio cede su electrón a un átomo de cloro concreto, que se convierte en $\text{Cl}^{-}$ . En el sodio metálico (enlace metálico), el electrón se suelta pero no lo recibe nadie en concreto: pasa al mar de electrones y se mueve entre todos los cationes $\text{Na}^{+}$ .

b) En la sal: el electrón queda en el ion $\text{Cl}^{-}$ . En el metal no pertenece a ningún átomo concreto.
5. Difícil
Indica el tipo de enlace (iónico, covalente o metálico) de cada sustancia y justifícalo con los elementos que la forman: a) el cinc de la carcasa de una pila; b) el agua, $\text{H}_2\text{O}$ ; c) el óxido de magnesio, $\text{MgO}$ ; d) el bronce de la estatua del Oso y el Madroño (aleación de cobre y estaño); e) el oxígeno del aire, $\text{O}_2$ .

Ver solución
a) metálico b) covalente c) iónico d) metálico e) covalente
a) Solo cinc (metal) → metálico. b) Hidrógeno y oxígeno (no metales) → covalente. c) Magnesio (metal) y oxígeno (no metal) → iónico. d) Cobre y estaño (metales) → metálico: una aleación mantiene el enlace metálico. e) Dos átomos de oxígeno (no metal) → covalente.

Para practicar más

1. Fácil
Explica con tus palabras, en 3 o 4 líneas, qué es el «mar de electrones» y por qué mantiene unido un trozo de hierro.

Ver solución
Los átomos de hierro sueltan sus electrones de la última capa; esos electrones se mueven libremente entre los cationes de hierro, y la atracción entre cationes (+) y electrones (−) mantiene unido el metal.
Respuesta modelo: «En un trozo de hierro, cada átomo pierde sus electrones de la última capa y queda como catión. Los cationes forman una red ordenada y los electrones se mueven libremente entre ellos, sin pertenecer a ningún átomo: es el mar de electrones. Los cationes son positivos y los electrones negativos, así que se atraen, y esa atracción mantiene unido el metal».
2. Fácil
Un trocito de calcio ( $Z = 20$ ) tiene 500 átomos. ¿Cuántos cationes hay y con qué carga? ¿Cuántos electrones libres? Comprueba que el conjunto es neutro.
Ver solución
500 cationes $\text{Ca}^{2+}$ ; 1000 electrones libres; $500\cdot(+2) + 1000\cdot(-1) = 0$ .
- Ca: 2, 8, 8, 2 → cada átomo aporta 2 electrones y queda $\text{Ca}^{2+}$ .
- Cationes: 500 $\text{Ca}^{2+}$ .
- Electrones libres: $500 \cdot 2 = 1000$ .
- Carga total: $500 \cdot (+2) + 1000 \cdot (-1) = 1000 - 1000 = 0$ → neutro.

3. Media

Copia y completa la tabla:

Sustancia	Elementos (metal/no metal)	Tipo de enlace	¿Qué hacen los electrones?
Cloruro de potasio, $\text{KCl}$
Cobre de un cable
Hidrógeno, $\text{H}_2$

Ver solución

KCl: metal + no metal, iónico, transferencia. Cobre: metal, metálico, mar de electrones. $\text{H}_2$ : no metal + no metal, covalente, comparten un par.

Sustancia	Elementos	Enlace	Electrones
$\text{KCl}$	K metal, Cl no metal	iónico	el potasio cede 1 electrón al cloro
Cobre	Cu metal	metálico	se mueven libremente entre los cationes de cobre
$\text{H}_2$	H no metal	covalente	los dos átomos comparten un par de electrones

4. Media
Ana dice: «En un metal hay iones positivos y negativos, igual que en la sal; por eso los dos son sólidos». ¿Qué está bien y qué está mal en su frase? Corrígela.
Ver solución
Está bien que los dos son sólidos con red y que hay iones positivos; está mal que en el metal haya iones negativos: la carga negativa la ponen los electrones libres.
- Bien: tanto la sal como los metales (salvo el mercurio) son sólidos a temperatura ambiente y forman redes cristalinas con iones positivos.
- Mal: en un metal no hay aniones. Solo hay cationes del metal y electrones libres que se mueven entre ellos. En la sal sí hay aniones ( $\text{Cl}^{-}$ ), y los electrones están quietos en los iones.
- Frase corregida: «En un metal hay cationes y electrones libres; en la sal, cationes y aniones. Los dos forman redes cristalinas».
5. Difícil
El latón de los grifos y las llaves es una aleación de cobre y cinc. El cinc ( $Z = 30$ ) tiene 2 electrones en su última capa. a) ¿Qué tipo de enlace hay en el latón? ¿Por qué? b) Dibuja un modelo de un trozo de latón con 4 átomos de cobre (cada uno aporta 1 electrón al mar) y 2 de cinc. ¿Cuántos electrones libres hay en total?

Ver solución
a) Metálico, porque cobre y cinc son metales. b) 4 cationes $\text{Cu}^{+}$ , 2 cationes $\text{Zn}^{2+}$ y $4\cdot 1 + 2\cdot 2 = 8$ electrones libres.
a) Metálico: los dos elementos son metales. En una aleación, los cationes de los distintos metales comparten un mismo mar de electrones.

b) Cobre: 4 cationes $\text{Cu}^{+}$ → aportan $4 \cdot 1 = 4$ electrones. Cinc: 2 cationes $\text{Zn}^{2+}$ → aportan $2 \cdot 2 = 4$ electrones. Total: 8 electrones libres. Dibujo: 6 cationes ordenados (mezclados los de cobre y los de cinc) con 8 electrones repartidos por los huecos. Neutralidad: $4 \cdot (+1) + 2 \cdot (+2) + 8 \cdot (-1) = 0$ .