En este artículo vamos a ver todo lo relacionado con los metales de transición y por qué los mismos son tan importantes. Además veremos cuáles son los 18 más importantes.
Los elementos químicos componen todo lo que nos rodea y a nosotros mismos, se encuentran en la naturaleza y también en las herramientas creadas a partir de los mismos. Su descubrimiento y utilización fue parte crucial del desarrollo de la técnica y por ello de las civilizaciones, por lo mismo muchos periodos antiguos son llamados en relación a algún elemento que caracterizó la época.
Aunque se vean como elementos aislados en una tabla que los clasifica y ordena, nuestra relación con los mismos es inmanente al hecho de existir en el mundo.
Dentro de estos elementos se encuentran los metales de transición, aquellos elementos vitales para el desarrollo de la técnica, los cuales gracias a sus propiedades químicas hacen posible la realización de una gran variedad de herramientas.
Los metales de transición tienen distinciones marcadas con otros elementos de la tabla periódica y también la conforman en mayor medida.
¿Qué son los metales de transición?
Son llamados metales de transición los elementos que son estables a nivel orbital.
La Unión internacional de Química pura Aplicada (IUPAC) define un metal de transición como “un elemento cuyo átomo tiene una subcapa incompleta o que puede dar lugar a cationes esto quiere decir que los metales de transición son aquellos que realizan transiciones electrónicas, traspasando electrones de un orbital a otro, lo cual crea cationes, es decir, iones de carga positiva a los que le son quitados dichos electrones que pasan a los otros orbitales.
Los metales de transición ocupan la mayor parte de la tabla periódica, específicamente ubicados en la parte central, el bloque d en los grupos de 3 a 12. El bloque d corresponde a aquellos elementos cuyo nivel energético externo está compuesto por orbitales d. Los orbitales son una región espacial en la cual hay una concentración de electrones, al ser estos ondas de materia, por lo que los orbitales son la forma en la que se encuentran en el espacio.
Es importante entender la relación entre la capacidad de transición de electrones entre los orbitales de estos metales ya que es lo que les aporta su estabilidad y la característica principal común a todos estos elementos es su configuración electrónica. La configuración electrónica del orbital en los metales de transición les da unicidad en sus características determinantes como elementos, haciéndolos metales propicios para su utilización técnica.
Cuáles y cuántos son los metales de transición
Tradicionalmente se consideran cuarenta elementos de la tabla periódica a los metales de transición, estos tienen más similitudes entre ellos decir la fila en la que se encuentren que según el grupo o columna como es usual. A pesar de que según la definición son cuarenta los elementos que entran en esta categoría, hay una cantidad menor que conforman los principales, es decir, los que comparten propiedades que se asemejan más entre sí.
Organización por grupos:
- Grupo 3
- Escandio (Sc)
- Itrio (Y)
- Grupo 4
- Titanio (Ti)
- Zirconio (Zr)
- Hafnio (Hf)
- Rutherfordio (Rf)
- Grupo 5
- Vanadio (v)
- Niobio (Nb)
- Tántalo (Ta)
- Dubnio (Db)
- Grupo 6
- Cromo (Cr)
- Molibdeno (Mo)
- Wolframio (W)
- Seaborgio (Sg)
- Grupo 7
- Manganeso (Mn)
- Tecnecio (Tc)
- Renio (Re)
- Bohrio (Bh)
- Grupo 8
- Hierro (Fe)
- Rutenio (Ru)
- Osmio (Os)
- Hassio (Hs)
- Grupo 9
- Cobalto (Co)
- Rodio (Rh)
- Iridio (Ir)
- Meitnerio (Mt)
- Grupo 10
- Níquel (Ni)
- Paladio (Pd)
- Platino (Pt)
- Darmstadtio (Ds)
- Grupo 11
- Cobre (Cu)
- Plata (Ag)
- Oro (Au)
- Roentgenio (Rg)
- Grupo 12
- Zinc (Zn)
- Cadmio (Cd)
- Mercurio (Hg)
- Copernicio (Cn)
Organización por periodos:
- Periodo 4
- Escandio (Sc)
- Titanio (Ti)
- Vanadio (V)
- Cromo (Cr)
- Manganeso (Mn)
- Hierro (Fe)
- Cobalto (Co)
- Níquel (Ni)
- Cobre (Cu)
- Zinc (Zn)
Escandio (Sc)- Periodo 5
- Itrio (Y)
- Zirconio (Zr)
- Niobio (Nb)
- Molibdeno (Mo)
- Tecnecio (Tc)
- Rutenio (Ru)
- Rodio (Rh)
- Paladio (Pd)
- Plata (Ag)
- Cadmio (Cd)
- Periodo 6
- Hafnio (Hf)
- Tántalo (Ta)
- Wolframio (W)
- Renio (Re)
- Osmio (Os)
- Iridio (Ir)
- Platino (Pt)
- Oro (Au)
- Mercurio (Hg)
- Periodo 7
- Rutherfordio (Rf)
- Dubnio (Db)
- Seaborgio (Sg)
- Bohrio (Bh)
- Hassio (Hs)
- Meitnerio (Mt)
- Darmstadtio (Ds)
- Roentgenio (Rg)
- Copernicio (Cn)
¿Qué propiedades tienen los metales de transición?
Los metales de transición son elementos simples, metales típicos que poseen las propiedades físicas que los caracterizan como la dureza, la conducción de calor y electricidad, y su resistencia con elevados puntos de ebullición y fusión. La mayoría de estas características se debe a los orbitales d, ya que los electrones de estos se ubican en la red metálica, en la cual se encuentran los cristales formados por agrupaciones de átomos del mismo tipo.
Las propiedades de los metales de transición se deben a sus estructuras por lo cual unos tienen más características en común que otros, por ejemplo en sus estructuras cristalinas, que normalmente son hexagonales compactas o cúbica centrada en las caras. No obstante, como elementos pertenecientes a un mismo conjunto tienen propiedades que los definen como tal.
- Características:
- Presentan varios estados de oxidación: La variedad de números de oxidación se deben a los huecos en los orbitales d. El número de oxidación es el número de electrones que un átomo gana o pierde al formar un compuesto, cualquiera que este sea. Dicho número se determina a partir de las configuraciones electrónicas y para los metales de transición tiende a ser el 2, número de oxidación positivo que indica la pérdida de dos electrones.
- Estructuras polimórficas: Los metales son sustancias cristalinas, cuyos átomos están ordenados geométricamente en estado sólido. El polimorfismo confiere la capacidad de cristalizar con más de una estructura.
- Más electronegativos: Sus átomos tienen mayor capacidad de atraer los electrones hacia sí. Otros elementos como los metales S son electropositivos, tienden a ceder electrones frente a elementos más electronegativos.
- Estables: La estabilidad de los metales de transición es debido al estado semiocupado de los orbitales d.
- Paramagnéticos: Debido a la presencia de electrones desapareados los metales de transición tiene la tendencia de alinearse paralelamente a campos magnéticos. Sin embargo, no ocurre una magnetización permanente.
- Catalizadores: Tienen la capacidad de donar un par de electrones para acelerar una reacción química. Debido a que pueden reaccionar bajo diferentes estados de oxidación, pueden generar diferentes compuestos requiriendo una energía de activación más baja.
- Coloreados: Nuevamente debido a la variedad de estados de oxidación los colores cambian entre los diferentes iones de un mismo elemento. Los orbitales de alta y baja una diferencia energética que varía la frecuencia de absorción de luz, la variación de esta frecuencia cambia los colores percibidos. este proceso es debido a los ligandos, ya que eliminan la degeneración orbital.
- Reaccionan con:
- Halógenos
- Ácidos minerales (Produciendo H2)
- HCI (dependiendo del elemento forma acuocomplejos o clorocomplejos)
- Oxígeno
- Forman compuestos:
- No estequiométricos
- Co iónicos, originando compuestos con propiedades metálicas al combinarse con no metales
- Tendencia a pasivarse ante los ácidos oxidantes y el oxígeno
- En estado de oxidación bajo se encuentran como iones simples, mientras que en estado de oxidación alto se unen covalentemente a elementos electronegativos.
- Los últimos metales de transición poseen mayor atracción entre protones y electrones.
- Se hidrolizan fácilmente.
Las propiedades físicas y químicas de los elementos permiten su utilización técnica, empleo únicamente posible gracias al conocimiento de las mismas. No obstante, algunas propiedades no las comparten todos los metales de transición a pesar de las características unitarias, por lo que para el empleo de alguno es necesario verificar las propiedades del elemento particular.
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Propiedades por grupos
En la organización de la tabla periódica los elementos se ubican por grupos y periodos. Este tipo de agrupaciones subdividen a los elementos de un mismo tipo entre sus pares más afines, lo que permite adentrarse en una mayor especificidad distintiva entre los elementos de un mismo tipo sin la necesidad de hacer una evaluación individual de cada uno.
- Grupo 3:
- Sus óxidos reaccionan al agua y forman hidróxidos.
- Estado de oxidación +3.
- Tres electrones de valencia.
- El Itrio es el más utilizado técnicamente de este grupo, utilizado para aleaciones y eliminación de impurezas de otros metales.
- Grupo 4:
- Cuatro electrones de valencia
- Estado de oxidacion +4, +3, +2
- La estabilidad de los elementos baja en los estados de oxidación +3 y +2 conforme bajan los elementos en el grupo
- Alto punto de fusión y ebullición
- Se recubren de una capa de óxido que los protege
- El titanio y el circonio son los más empleados a nivel técnico, el titanio está ampliamente empleado para aleaciones en todo tipo de construcciones, desde aviones hasta misiles. En el caso del circonio se utiliza para aleaciones no ferrosas, material refractario y las más variadas fabricaciones como acero o porcelana.
- Grupo 5:
- Cinco electrones de valencia.
- Estado de oxidación (predominante) +5.
- La estabilidad de los elementos de este grupo aumenta según lo hace el número atómico.
- Forman complejos solubles únicamente con ácido Fluorhídrico.
- El niobio y el tántalo se encuentran en los mismos minerales.
- Grupo 6:
- Seis electrones de valencia.
- Estado de oxidación (máximo) +6.
- La estabilidad en el máximo estado de oxidación aumenta según lo hace el número atómico. No obstante, con los estados de oxidación menores esta relación se hace inversa.
- Poseen los puntos de fusión más altos de la tabla periódica
- Poseen el coeficiente de dilatación térmica más bajo de la tabla periódica.
- Se recubren de una capa de óxido a temperatura ambiente.
- Sus aleaciones sirven para diversos usos técnicos.
- Grupo 7:
- Siete electrones de valencia.
- Estado de oxidación (máximo) +7.
- Tecnecio y bohrio son elementos artificiales, siendo el tecnecio el primer elemento artificial cuya existencia fue predicha. El bohrio por su parte fue sintetizado por científicos alemanes mediante el bombardeo de un isótopo 209Bi con núcleos acelerados de 54 Cr.
- La estabilidad en el máximo estado de oxidación aumenta según lo hace el número atómico. No obstante, con los estados de oxidación menores esta relación se hace inversa.
- Son altamente utilizados para aleaciones con otros metales.
- Grupos 8, 9, 10: Debido a la semejanza entre algunos de estos elementos es mayor entre los periodos que los, las propiedades se organizan en los subgrupos resultantes.
- Ocho electrones de valencia en el grupo ocho, nueve en el grupo nueve y diez en el grupo diez.
- Según semejanza se subdividen en los primeros tres elementos de cada grupo, luego los seis restantes en otro y por último los tres inferiores.
- Los tres inferiores de cada uno de estos grupos, el hassio, meitnerio y Darmstadtio son elementos artificiales.
- El primer subgrupo (hierro, cobalto y níquel) tiene un estado de oxidación máximo de +6, aunque en el níquel predomine el estado de oxidación +2.
- El segundo subgrupo tiene un estado de oxidación máximo de +8 (Rutenio y Osmio).
- El segundo grupo está compuesto por metales ligeros que son los del periodo cinco y los metales pesados, los pertenecientes al periodo seis.
- Los elementos del subgrupo grupo dos son metales nobles o preciosos, inertes a la corrosión.
- Los elementos del subgrupo uno son estables a temperatura ambiente.
- Grupo 11:
- Metales nobles.
- Alto punto de fusión.
- El Roentgenio es artificial por lo que las propiedades anteriores no se aplican.
- Tendencia a la formación de complejos.
- La reactividad disminuye según aumenta el número atómico.
- Grupo 12:
- Puntos de fusión y ebullición bajos
- Tendencia a formación de complejos
- Configuración electrónica estable
- El mercurio no es sólido
Según los grupos se puede observar cuando los elementos se asemejan más por grupos o por periodos y como los elementos artificiales no comparten la mayoría de características con el resto de elementos del grupo. La principal propiedad unitaria por grupos es el número de electrones de valencia y su estado máximo de oxidación, variando considerablemente en las aplicaciones técnicas de cada uno.
¿Donde se encuentran los metales de transición en la naturaleza?
Exceptuando los artificiales, los metales de transición son elementos que se consiguen en la vida cotidiana formando parte de la naturaleza y muchos hasta de las personas. Al ser parte del día a día se encuentran en prácticamente cualquier herramienta que se utilice, desde celulares, a automóviles, pero eso probablemente es de conocimiento común ya que las aplicaciones prácticas de estos elementos son parte fundamental de la vida moderna pero el origen de estos en forma natural es menos conocido.
Muchos metales constituyen elementos del cuerpo llamados oligoelementos, los cuales son responsables de transportar el oxígeno, facilitar o producir reacciones de enzimas y conducir los impulsos nerviosos. También forman parte de plantas o animales en forma de enzimas, coenzimas o electrolitos. Los metales constituyen micro esenciales en los seres orgánicos.
Por supuesto, no se encuentran exclusivamente en formas diminutas en organismos vivos. El titanio se encuentra en la escoria de minerales de hierro y en cenizas de seres orgánicos, el mercurio se encuentra en la corteza terrestre, metales como el platino, el rodio, el oro y demás se encuentran en yacimientos subterráneos. Los metales de transición se encuentran en toda la naturaleza, desde en las criaturas orgánicas, hasta la corteza terrestre o debajo de la tierra, son elementos esenciales para la vida en distintas formas.
Principales metales de transición
Los que se conocen como metales de transición son aquellos de transición externa, ya que los lantánidos y actínidos son igualmente de transición pero interna. Como se pudo observar en las propiedades, muchos de estos elementos comparten entre sí más características que otros, determinado por grupos y periodos. No obstante, más allá de sus propiedades químicas, sus características físicas y la importancia de su utilización técnica son factores determinantes al momento de subdividirlos en otro grupo, el de los principales metales de transición.
Vamos a ver los 18 más importantes:
1 Titanio: Ubicado en el grupo 4, periodo 4, su símbolo químico es el “Ti” y su número atómico es el 22. Posee baja densidad y gran dureza, con un estado de oxidación de +4, una valencia de 2,3,4 y electronegatividad de 1,5. Este elemento fue descubierto en 1791 por Willian Gregor pero no fue hasta 1795 que recibió el nombre de Titanio.
Es un elemento duro y refractario que conduce bien la electricidad y el calor, se utiliza principalmente en dióxido de titanio, es decir como pigmento en pinturas, papel y plásticos. Debido a su resistencia a la corrosión se emplea también como parte de aleaciones para construir distintos tipos de herramientas y transportes.
2 Cromo: Ubicado en el grupo 6, periodo 4, su símbolo químico es el “Cr” y su número atómico el 24. Sus compuestos presentan diferentes colores, posee un estado de oxidación máximo de +6 con posibles variaciones entre +3 y +2, su valencia 2,3,4,5,6 y una electronegatividad de 1,6. En 1766 se obtuvo el primer registro de la aparición del cromo como un elemento aunque el mineralogista alemán que lo descubrió, no pudo identificarlo. No fue sino hasta 1798 que Louis Vauquelin lo bautizó como cromo. Su principal utilización es en metalurgia y en aleaciones antioxidantes.
3 Manganeso: Ubicado en el grupo 7, periodo 4, su símbolo químico es el “Mn” y su número atómico es el 25. Es un elemento que se suele encontrar junto al hierro y otros minerales, su estado de oxidación máximo es de +7, teniendo variaciones entre +3,+2 y +4, con una valencia de 2, 4, 3, 6, 7, y electronegatividad de 1,5. Gracias a sus propiedades se ha utilizado a lo largo de la historia como pigmento, empero en 1770 Ignatius Gottfried Kaim fue quien lo aisló por primera vez.
Es un metal duro y frágil con múltiples usos, se usa en aleaciones con otros metales, se añade a la gasolina sin plomo, en baterías desechables, como pigmento y en general encuentra diversos empleos en diferentes áreas.
4 Hierro: Ubicado en el grupo 8, periodo 4, su símbolo químico es “Fe” y su número atómico es de 26. Es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, su estado de oxidación máximo es de +6 con variaciones de +2 y +3, su valencia de 2,3 y electronegatividad de 1,8. El uso del hierro ha acompañado a la historia de la humanidad, teniendo su propio periodo histórico, la edad de hierro, comprendida a partir del siglo XII a.c.
El hierro abarca un 95% de la producción mundial de metal, aplicado para la producción de productos siderúrgicos. No obstante, el hierro puro no tiene prácticamente aplicaciones.
5 Cobalto: Ubicado en el grupo 9, periodo 4, su símbolo químico es “Co” y su número atómico 27. Es un metal ferromagnético, su estado de oxidación máximo es de +6 con variaciones a +3, valencia de 2, 3 y electronegatividad de 1,8. El cobalto al igual que muchos elementos, se ha usado a lo largo de la historia como pigmento, en especial por su intenso color azul. Fue descubierto entre 1730 y 1737 por el químico George Brandt.
El Cobalto es un elemento especialmente codiciado en el mundo moderno, con él se pueden realizar superaleaciones , electrodos de baterías, fuente de radiación gamma y muchas otras aleaciones que le confieren distintos usos.
6 Níquel: Ubicado en el grupo 10, periodo 4, su símbolo químico es “Ni” y su número atómico 28. Es un metal especialmente dúctil y maleable, su estado de oxidación máximo es +6, con variaciones entre +3 y +2, valencia de 2, 3 y electronegatividad de 1,8.
Se utiliza desde el siglo IV a.c y fue extraído por Axel Frederik Cronstendt en 1751 y bautizado como níquel. Se emplea principalmente en la creación de acero inoxidable, se usa también en aleaciones para baterías recargables y monedas.
7 Cobre: Ubicado en el grupo 11, periodo 4, su símbolo químico es “Cu” y su número atómico 29. Es el metal que presenta mejores propiedades mecánicas, su estado de oxidación máximo es +2, con variaciones de +1, valencia de 1, 2 y electronegatividad de 1,9.
Al ser uno de los pocos elementos que se encuentran en forma nativa en la naturaleza, la humanidad ha usado cobre a través de su historia. La edad de cobre es un periodo de la prehistoria donde predominaba el uso del material. El uso industrial del cobre es sumamente importante, desde la electricidad o la construcción, son muchos los ámbitos cotidianos donde se emplea.
8 Zinc: Ubicado en el grupo 12, periodo 4, su símbolo químico es “Zn” y su número atómico 30. A pesar de estar clasificado como metal de transición ya que presenta el conjunto orbital completo, su estado de oxidación es +2, valencia de 2 y electronegatividad de 1,6.
Las aleaciones de zinc se usan desde el siglo 1000 a.c, en China e india se conocía el zinc a finales del siglo XIV. El principal uso del Zinc es el galvanizado del acero, también se utiliza en metalurgia, baterías y diversas aleaciones.
9 Molibdeno: Ubicado en el grupo 6, periodo 5, su símbolo químico es “Mo” y su número atómico 42. Es un metal esencial de uso biológico, su estado de oxidación es +2, valencia de 2 y electronegatividad de 1,8.
En 1778 Carl Wilhelm Scheele hizo reaccionar al mineral, este se encuentra libre en la naturaleza y fue confundido con otros elementos. Es un acero muy resistente que se usa en diversas aleaciones por su resistencia a la temperatura y corrosión.
10 Rodio: Ubicado en el grupo 9, periodo 5, su símbolo químico es “Rh” y su número atómico 45. Es un metal poco abundante, su estado de oxidación máximo es +3, con variaciones entre 0 y -1, valencia de 2, 3 y electronegatividad de 2,2.
El rodio es el metal más caro del mundo, obtenido como subproducto de la extracción de platino y níquel. Se usa como catalizador para la hidrogenación y en aplicaciones para contactos eléctricos.
11 Paladio: Ubicado en el grupo 10, periodo 5, su símbolo químico es “Pd” y su número atómico 46. Es un metal blando dúctil y maleable, su estado de oxidación máximo es +3, con variaciones a +2, valencia de 2, 4 y electronegatividad de 2,2.
A pesar de haber sido usado desde la antigüedad, su descubrimiento no fue sino hasta 1803 por el científico William Hyde Wollaston. El uso técnico principal está en los convertidores catalíticos, pero también se emplea en joyería, odontología y medicina.
12 Plata: Ubicado en el grupo 11, periodo 5, su símbolo químico es “Ag” y su número atómico 47. Es un metal plateado, blando y maleable, su estado de oxidación máximo es +4, con variaciones entre +3 a +1, valencia de 1 y electronegatividad de 1,9.
Uno de los siete metales conocidos desde la antigüedad que han formado parte de la historia de la humanidad. Los usos de la plata se pueden dividir en dos, fines industriales, como medicina, fotografía y electricidad, y fines monetarios.
13 Cadmio: Ubicado en el grupo 12, periodo 5, su símbolo químico es “Cd” y su número atómico 48. Es un metal blanco azulado, su estado de oxidación máximo es +2, con variaciones menos frecuentes en +1, valencia de 2, 3 y electronegatividad de 1,7.
Descubierto en 1817 por el alemán Friedrich Strohmeyer. Se utiliza principalmente en electrodeposición, acumuladores eléctricos o en aleaciones de bajo punto de fusión.
14 Osmio: Ubicado en el grupo 8, periodo 6, su símbolo químico es “Os” y su número atómico 76. Es un metal empleado en síntesis orgánica, su estado de oxidación máximo es +8, con variaciones entre +7 y -2, valencia de 2, 3, 4, 6, 8 y electronegatividad de 2,2.
Descubierto en Inglaterra por Smithson Tennant y William Hyde Wollaston en 1803. No se suele usar en estado puro, sino empleado en aleación con otros metales para aplicaciones resistentes al desgaste.
15 Iridio: Ubicado en el grupo 9, periodo 6, su símbolo químico es “Ir” y su número atómico 77. Es un metal pesado, duro y frágil, su estado de oxidación máximo es +9, con variaciones entre +6 a -3, valencia de 2, 3, 4, 6 y electronegatividad de 2,2.
El iridio fue utilizado por etiopes y sudamericanos ya que se encontraba en estado natural al igual que otros elementos del grupo del platino. El descubrimiento del metal como elemento se dio en 1748 por medio de la colaboración de varios químicos. Es usado mayoritariamente en aleaciones de poco desgaste para crear fibras y productos con dicha propiedad.
16 Platino: Ubicado en el grupo 10, periodo 6, su símbolo químico es “Pt” y su número atómico 78. Es un metal pesado dúctil y maleable, su estado de oxidación máximo es +6, con variaciones entre +5 a -2, valencia de 2, 4 y electronegatividad de 2,2.
El elemento se encontraba en sudamérica y era usado por los nativos, el primer registro escrito que se tiene del elemento data de 1748. Las aplicaciones del mismo son muchas, van desde joyería, electrónica, petrolero, catalizador de vehículos, y constantemente se van añadiendo nuevos usos.
17 Oro: Ubicado en el grupo 11, periodo 6, su símbolo químico es “Au” y su número atómico 79. Es un metal pesado, el más común de los preciosos, su estado de oxidación máximo es +3, con variaciones entre +1, valencia de 1, 3 y electronegatividad de 2,4.
El oro se conoce desde la prehistoria y se ha considerado a lo largo de los siglos como uno de los metales más preciosos en gran variedad de culturas. El oro limita solo el 10% de su producción a uso industrial, mayormente usado en joyería y reservas, manteniendo el alto valor simbólico que ha tenido por siglos.
18 Mercurio: Ubicado en el grupo 12, periodo 6, su símbolo químico es “Hg” y su número atómico 80. Es un líquido plateado, su estado de oxidación máximo es +4, con variaciones entre +1 y +2, valencia de 2, 3 y electronegatividad de 1,9.
El uso del Mercurio se rastrea hasta civilizaciones antiguas como la egipcia o usos medicinales en la antigua China. El mercurio dejó atrás su pasado como medicina y se emplea actualmente para productos químicos industriales o aplicaciones eléctricas.