Propiedades de los metales y aleaciones

Explicación

Errores frecuentes

• ErrorPensar que todos los metales tienen puntos de fusión muy altos.

  Cómo corregirloSon muy variados: el mercurio es líquido, el galio funde en la mano y el sodio a unos 98 °C.

• ErrorConfundir dúctil y maleable.

  Cómo corregirloDúctil: se estira en hilos (cables). Maleable: se extiende en láminas (papel de aluminio). Pista: «maleable» se parece a «martillo»: se aplasta con golpes.

• ErrorCreer que una aleación es un compuesto con fórmula fija.

  Cómo corregirloEs una mezcla homogénea: sus proporciones pueden variar (hay muchos tipos de acero o de bronce).

• ErrorDecir que los metales conducen porque «tienen iones», como la sal disuelta.

  Cómo corregirloEn los metales lo que se mueve son los electrones libres, y por eso conducen también en estado sólido.

Ejemplos resueltos

1. Ejemplo 1. Por dentro de un cable situación real (propiedad y uso)

   Si cortas el cable del cargador de un móvil, ves dentro hilos muy finos de color rojizo (cobre) rodeados de plástico. ¿Qué propiedades del cobre lo hacen adecuado para estar dentro? ¿Y por qué se recubre de plástico?

   Resolución

   Cobre (dentro):

   • Es muy buen conductor de la electricidad: sus electrones libres se mueven fácilmente cuando el cargador está enchufado.
   • Es muy dúctil: se puede estirar en hilos finísimos, que hacen el cable flexible.

   Plástico (fuera): el plástico no conduce la electricidad (no tiene electrones libres). Aísla el cobre para que la corriente no pase a nuestra mano ni a otro cable.

   Conclusión: en un cable se combinan un metal (conductor) y un aislante.

2. Ejemplo 2. Golpear un metal y un cristal de sal modelo de partículas (maleabilidad frente a fragilidad)

   Con un martillo, un orfebre puede aplastar un trocito de oro hasta convertirlo en «pan de oro», una lámina tan fina que casi deja pasar la luz. En cambio, si golpeas un cristal de sal gorda, se rompe en trozos. Explica la diferencia con los modelos de los dos enlaces.

   Resolución

   Sal (iónico): red de iones $+$ y $-$ alternados. Al deslizarse una capa, se enfrentan iones del mismo signo, que se repelen: el cristal se rompe (frágil).

   Oro (metálico): red de cationes de oro rodeados del mar de electrones.

   $$\begin{matrix} \oplus & \oplus & \oplus & \oplus \\ \oplus & \oplus & \oplus & \oplus \end{matrix} \quad\text{(con electrones libres entre todos)}$$

   Al deslizarse una capa, los cationes siguen rodeados de electrones: no aparecen repulsiones y el metal se mantiene unido. Se deforma sin romperse (maleable).

   Por eso los metales se pueden laminar (pan de oro, papel de aluminio, chapas de coches) y estirar en hilos (cables), y la sal no.

3. Ejemplo 3. ¿Cuánto oro hay en un anillo? numérico (aleaciones)

   a) Un anillo de oro de 18 quilates tiene una masa de 4 g. ¿Cuánto oro puro contiene? b) La estatua de una plaza está hecha de un bronce con un 90 % de cobre y un 10 % de estaño. Si tiene una masa de 200 kg, ¿cuántos kilos de cada metal contiene? c) ¿Por qué no se hacen los anillos de oro puro (24 quilates)?

   Resolución

   a) 18 quilates → $\dfrac{18}{24} = 0{,}75$ (75 % de oro). $$m_{\text{oro}} = 0{,}75 \cdot 4\ \text{g} = 3\ \text{g}$$ El otro gramo es de cobre y plata.

   b) Cobre: $0{,}90 \cdot 200 = 180$ kg. Estaño: $0{,}10 \cdot 200 = 20$ kg. Comprobación: $180 + 20 = 200$ kg.

   c) El oro puro es muy blando (muy maleable): un anillo de oro puro se rayaría y se deformaría enseguida. Al alearlo con cobre y plata, la aleación es más dura. Es un ejemplo de cómo una aleación mejora una propiedad.

Ejercicios

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

1. 1. Fácil

   Relaciona cada metal o aleación con su uso y con la propiedad que lo explica: Metales: 1. cobre, 2. aluminio, 3. wolframio, 4. oro, 5. acero. Usos: A. filamento de las bombillas antiguas, B. vigas de un rascacielos, C. cables eléctricos, D. papel de cocina, E. joyas. Propiedades: a. muy resistente, b. muy maleable, c. punto de fusión altísimo, d. brillo que no se pierde, e. buen conductor y dúctil.

   Ver solución

   1-C-e, 2-D-b, 3-A-c, 4-E-d, 5-B-a

   • Cobre → cables (C) → buen conductor y dúctil (e).
   • Aluminio → papel de cocina (D) → muy maleable (b).
   • Wolframio → filamento (A) → punto de fusión altísimo, unos 3400 °C (c): el filamento se pone incandescente sin fundirse.
   • Oro → joyas (E) → brillo que no se pierde (d): no se oxida con el aire.
   • Acero → vigas (B) → muy resistente (a).

2. 2. Fácil

   Observa los puntos de fusión aproximados de estos metales:

   Metal	Mercurio	Galio	Sodio	Aluminio	Wolframio
   Punto de fusión	−39 °C	30 °C	98 °C	660 °C	3400 °C

   a) ¿En qué estado está cada uno a 25 °C? b) Un trozo de galio se funde si lo sostienes en la mano. ¿Por qué? (La temperatura de la mano es de unos 35 °C.) c) ¿Es verdad que todos los metales tienen puntos de fusión altos?

   Ver solución

   a) Mercurio líquido; galio, sodio, aluminio y wolframio sólidos. b) Porque 35 °C es más que su punto de fusión (30 °C). c) No: son muy variados.

   a) A 25 °C es líquido el que tiene el punto de fusión por debajo de 25 °C: mercurio (−39 °C). Los demás (30, 98, 660 y 3400 °C) están por encima: sólidos. b) La mano está a unos 35 °C, más que los 30 °C del punto de fusión del galio: se funde. c) No: van desde −39 °C hasta unos 3400 °C. Son muy variados.

3. 3. Media

   Las sartenes suelen tener el cuerpo de aluminio o de acero y el mango de plástico o de madera. Explica por qué, usando las propiedades de los metales y el modelo del mar de electrones.

   Ver solución

   El cuerpo metálico conduce muy bien el calor (electrones libres) y calienta los alimentos; el mango de plástico o madera conduce mal el calor y no quema la mano.

   • Cuerpo metálico: los metales son buenos conductores del calor: los electrones libres transportan la energía rápidamente desde el fuego hasta toda la base. Además aguantan temperaturas altas sin fundirse.
   • Mango: el plástico y la madera no tienen electrones libres y conducen muy mal el calor (son aislantes térmicos): el mango se mantiene frío y podemos cogerlo sin quemarnos.

4. 4. Media

   Un grifo de latón tiene una masa de 400 g. El latón que se ha usado tiene un 65 % de cobre y un 35 % de cinc. a) ¿Qué masa de cada metal contiene el grifo? b) ¿Qué tipo de enlace hay en el latón? ¿Es un compuesto o una mezcla?

   Ver solución

   a) 260 g de cobre y 140 g de cinc. b) Enlace metálico; es una mezcla homogénea (aleación).

   a) Cobre: $0{,}65 \cdot 400 = 260$ g. Cinc: $0{,}35 \cdot 400 = 140$ g. Comprobación: $260 + 140 = 400$ g. b) Cobre y cinc son metales → enlace metálico (los cationes de los dos metales comparten un mar de electrones). El latón es una mezcla homogénea: su composición puede variar (hay latones con más o menos cinc).

5. 5. Difícil

   Explica, usando el modelo del mar de electrones, por qué el cobre se puede estirar en hilos finísimos y por qué conduce la electricidad en estado sólido, mientras que la sal sólida ni se estira (se rompe) ni conduce.

   Ver solución

   Cobre: las capas de cationes se deslizan sin romperse porque los electrones libres las siguen rodeando, y esos electrones libres se mueven y conducen. Sal: al deslizar una capa se enfrentan iones del mismo signo (se rompe), y sus iones están fijos (no conduce).

   Cobre (metálico):

   • Dúctil: al tirar del metal, las capas de cationes se deslizan unas sobre otras; el mar de electrones sigue uniéndolas y no hay repulsiones → se estira sin romperse.
   • Conduce en sólido: tiene electrones libres que se pueden mover por todo el metal.

   Sal (iónico):

   • Frágil: al deslizar una capa, se enfrentan iones del mismo signo, que se repelen → se rompe.
   • No conduce en sólido: sus cargas (los iones) están fijas en la red y no tiene electrones libres.

Para practicar más

1. 1. Fácil

   ¿Verdadero o falso? Corrige las falsas. a) Todos los metales son sólidos a temperatura ambiente. b) Los metales conducen la electricidad porque tienen electrones libres. c) Que un metal sea maleable significa que se puede estirar en hilos. d) El acero es una aleación de hierro y carbono. e) Una aleación es un compuesto químico con fórmula fija.

   Ver solución

   a) F b) V c) F d) V e) F

   a) Falso: el mercurio es líquido. b) Verdadero. c) Falso: maleable significa que se puede extender en láminas; estirarse en hilos es ser dúctil. d) Verdadero (con menos de un 2 % de carbono). e) Falso: es una mezcla homogénea, de composición variable.

2. 2. Media

   ¿Qué metal o aleación elegirías para cada caso? Justifícalo con una propiedad: a) los cables de alta tensión que cruzan el campo, que deben pesar poco; b) los cubiertos y el fregadero de una cocina, que no deben oxidarse; c) un termómetro antiguo de líquido; d) una campana.

   Ver solución

   a) aluminio b) acero inoxidable c) mercurio d) bronce

   a) Aluminio: buen conductor y poco denso (pesa poco). b) Acero inoxidable: el cromo y el níquel lo protegen de la corrosión. c) Mercurio: es el único metal líquido a temperatura ambiente y se dilata al calentarse. (Hoy está prohibido en termómetros porque es tóxico.) d) Bronce: es duro, resistente y suena bien al golpearlo; es la aleación tradicional de las campanas.

3. 3. Media

   a) Una cadena de oro de 18 quilates tiene una masa de 12 g. ¿Cuánto oro puro contiene? b) Un colgante de 14 quilates tiene una masa de 10 g. ¿Cuánto oro contiene? Redondea a las décimas. c) ¿Cuál de las dos joyas tiene mayor porcentaje de oro?

   Ver solución

   a) 9 g b) 5,8 g c) La cadena (75 % frente a unos 58 %).

   a) $\dfrac{18}{24} = 0{,}75$ → $0{,}75 \cdot 12 = 9$ g de oro. b) $\dfrac{14}{24} \approx 0{,}583$ → $\dfrac{14}{24} \cdot 10 \approx 5{,}8$ g de oro. c) La cadena: 75 % de oro frente a un 58 % aproximadamente del colgante (más quilates, más oro).

4. 4. Media

   Las monedas de 10, 20 y 50 céntimos de euro están hechas de una aleación llamada «oro nórdico», que no contiene oro: tiene un 89 % de cobre, un 5 % de aluminio, un 5 % de cinc y un 1 % de estaño. a) Una moneda de 50 céntimos tiene una masa de 7,8 g. Calcula la masa de cobre y de estaño que contiene. b) ¿Por qué crees que se usa una aleación y no cobre puro?

   Ver solución

   a) Unos 6,94 g de cobre y 0,078 g de estaño. b) La aleación es más dura y se desgasta y oscurece menos que el cobre puro, y tiene color dorado.

   a) Cobre: $0{,}89 \cdot 7{,}8 = 6{,}942 \approx 6{,}94$ g. Estaño: $0{,}01 \cdot 7{,}8 = 0{,}078$ g. b) Las aleaciones mejoran las propiedades del metal puro: el oro nórdico es más duro y resistente al desgaste que el cobre, se oxida menos (no se pone verdoso tan fácilmente) y tiene un color dorado que distingue estas monedas.

5. 5. Difícil

   El cuadro de una bicicleta tiene un volumen de metal de unos 500 cm³. Puede fabricarse de aluminio (densidad 2,7 g/cm³) o de acero (densidad 7,9 g/cm³). a) Calcula la masa del cuadro en cada caso. b) ¿Cuánto más ligero es el cuadro de aluminio? c) Nombra dos propiedades que comparten los dos materiales por ser metálicos y que son útiles en una bicicleta.

   Ver solución

   a) Aluminio 1350 g; acero 3950 g. b) 2600 g (unos 2,6 kg) más ligero. c) Por ejemplo, resistencia y que se pueden deformar sin romperse (maleabilidad/ductilidad para darles forma de tubo).

   a) $m = \rho \cdot V$. Aluminio: $m = 2{,}7 \cdot 500 = 1350$ g. Acero: $m = 7{,}9 \cdot 500 = 3950$ g. b) $3950 - 1350 = 2600$ g ≈ 2,6 kg menos. c) Son resistentes y maleables y dúctiles (se pueden dar forma de tubo y doblar sin que se rompan); además tienen brillo y se pueden pintar o pulir. (En la práctica los cuadros de aluminio son algo más gruesos para ser igual de resistentes.)