En química, el término metales designa a aquellos elementos que son buenos conductores de la electricidad (y el calor), tienen brillo, son dúctiles y maleables y sus iones en disolución o formando sales tienen carga positiva. En general, son sólidos a presión y temperatura ambiente, con la notable excepción del mercurio, y presentan el enlace metálico descrito en el apartado 1.4. Estos elementos metálicos son los alcalinos (como el sodio) y los alcalinotérreos (como el magnesio), ambos a la izquierda en la tabla periódica, con densidades bajas y una reactividad muy alta; los metales de transición, que son los más habituales en la vida cotidiana; y los lantánidos y actínidos. En general, todos ellos son cristalinos con motivos sencillos que dan lugar a estructuras compactas (cúbica o hexagonal) o a otras un poco menos densas como la cúbica centrada en el interior.
Desde el punto de vista de la física, y más en concreto de la estructura electrónica, los metales se caracterizan por la existencia de un solapamiento entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura de bandas de energía, que es una consecuencia del enlace metálico. Esta circunstancia es consistente con que sean buenos conductores del calor y la electricidad y generalmente con la capacidad de reflejar la luz, lo que les da su peculiar brillo. Estas propiedades electrónicas, como veremos más adelante, son las que permiten distinguir entre un metal y un semiconductor.
Los semiconductores, como el silicio, tienen muchas propiedades en común con los metales, pero en aquellos no existe un solapamiento entre las bandas de conducción y de valencia, sino una región o banda prohibida de alrededor de 1 eV donde no puede haber estados electrónicos, pero es suficientemente pequeña como para que algunos electrones la puedan atravesar debido a la agitación térmica o a la acción de otros factores externos. Esto hace que, mientras que en los metales la conductividad eléctrica disminuye con la temperatura (debido a que las vibraciones de red y los defectos dificultan el paso de la corriente eléctrica), en los semiconductores ocurre lo contrario y la conductividad aumenta con la temperatura, ya que esto favorece la promoción de electrones de la capa de valencia a la de conducción. En ausencia de una estructura electrónica conocida, la variación de la conductividad con la temperatura puede usarse como criterio para distinguir entre metal y semiconductor.
Desde el punto de vista de la ciencia de materiales se consideran materiales metálicos a los elementos metálicos así como a todas sus aleaciones, incluso en algunos casos en los que puedan contener algún elemento no metálico, siempre y cuando mantengan las propiedades características de los metales antes mencionadas. En cuanto a las propiedades mecánicas, los metales presentan una serie de características comunes, como la maleabilidad, que permite obtener láminas finas al ser sometidos a esfuerzos de compresión, o la ductilidad, gracias a la cual los metales se pueden moldear en forma de alambre e hilos cuando son sometidos a esfuerzos de tracción. Por otro lado, como se adelantaba al discutir el ensayo de tracción, los metales presentan una alta resistencia mecánica y una gran tenacidad, que es esencialmente la resistencia a romperse, incluso al recibir fuerzas súbitas como impactos o golpes, ya que pueden deformarse plásticamente.
Sin lugar a dudas, el acero, que es una aleación de hierro y carbono, es el material metálico por excelencia, y con diferencia el más usado en todo el mundo debido a su bajo precio y a unas propiedades mecánicas relativamente buenas que se pueden mejorar mediante tratamientos térmicos o modificando la composición de las aleaciones. La importancia del acero es tal que en ciencia e ingeniería de materiales se suelen clasificar los metales en aleaciones férreas (las del hierro) y no férreas, siendo actualmente una infinidad el número de aleaciones comerciales que se usan; en la figura 1.5 se muestran algunas de ellas.
Por detrás de los aceros destacan el aluminio debido a su ligereza, el cobre, que es un excelente conductor, o el titanio, que posee unas propiedades mecánicas excelentes, aunque tiene el inconveniente de que su precio es muy elevado. Además de estos dos últimos, hay muchos otros metales de transición que tienen importantes usos, ya sean estructurales o no. Por ejemplo, están los metales refractarios (niobio, molibdeno, wolframio, etc.), que pueden soportar temperaturas extremas debido a sus puntos de fusión elevadísimos, o los metales preciosos (oro, plata, platino, rodio, etc.), que se encuentran en estado nativo en la naturaleza debido a su alta estabilidad química y, pese a que son caros, dada su gran durabilidad son materiales idóneos para joyería, orfebrería, decoración, etc.
Por su excesiva reactividad química, los metales alcalinos y alcalinotérreos no suelen tener aplicaciones como materiales estructurales, aunque a veces estén presentes en proporciones pequeñas en algunas aleaciones; sin embargo, sí pueden tener otras aplicaciones muy relevantes, como es el caso del litio, el metal más ligero, que se emplea en las baterías recargables actuales. Finalmente, los lantánidos y actínidos también tienen bastantes aplicaciones, como veremos en algunos ejemplos a lo largo del libro. La mayoría de ellas están relacionadas con sus propiedades magnéticas (como en el caso del gadolinio o el disprosio) o con la producción de energía nuclear, como sería el caso del uranio.
La importancia de los metales en la sociedad actual es enorme, ya no solo porque se usen en muchos objetos cotidianos como sartenes, ollas, herramientas, monedas, etc. (véase la figura 1.6), sino porque en general la maquinaria de las fábricas suele ser metálica y muchos componentes estructurales de edificios y otras construcciones como torres, puentes, plantas, etc., también tienen un componente mayoritario o elevado de metal. Por tanto, el conocimiento detallado de las propiedades de los metales así como la forma de obtenerlos y procesarlos para obtener los bienes deseados es fundamental hoy día. A la correspondiente disciplina se le llama metalurgia, que es la técnica de la obtención y tratamiento de los metales a partir de sus menas minerales.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
