Metales de Transición
Los metales de transición son un conjunto de elementos químicos situados en la zona central de la Tabla Periódica, principalmente entre los grupos 3 y 12. Pertenecen al bloque d y se caracterizan por presentar electrones en orbitales d, ya sea en el átomo neutro o en alguno de sus estados de oxidación.
Entre los metales de transición se encuentran elementos muy conocidos, como el hierro, el cobre, el níquel, el cromo, el manganeso, la plata, el oro y el platino.
Estos elementos presentan propiedades metálicas características, como elevada conductividad eléctrica y térmica, brillo metálico, dureza, maleabilidad y puntos de fusión generalmente altos. Sin embargo, muestran una mayor variedad de comportamientos químicos que los metales de los grupos 1 y 2.
Grupo 3
ELEMENTO
SÍMBOLO
Nº ATÓMICO
Escandio
Sc
21
Itrio
Y
39
Grupo 4
Titanio
Ti
22
Zirconio
Zr
40
Hafnio
Hf
72
Rutherfodio
Rf
104
Grupo 5
Vanadio
V
23
Niobio
Nb
41
Tantalio
Ta
73
Dubnio
Db
105
Grupo 6
Cromo
Cr
24
Molibdeno
Mo
42
Wolframio
W
74
Seaborgio
Sg
106
Grupo 7
Manganeso
Mn
25
Tecnecio
Tc
43
Renio
Re
75
Bohrio
Bh
107
Grupo 8
Hierro
Fe
26
Rutenio
Ru
44
Osmio
Os
76
Hassio
Hs
108
Grupo 9
Cobalto
Co
27
Rodio
Rh
45
Iridio
Ir
77
Meitnerio
Mt
109
Grupo 10
Níquel
Ni
28
Paladio
Pd
46
Platino
Pt
46
Darmstadtio
Ds
110
Grupo 11
Cobre
Cu
29
Plata
Ag
47
Oro
Au
79
Roentgenio
Rg
111
Grupo 12
Zinc
Zn
30
Cadmio
Cd
48
Mercurio
Hg
80
Copernicio
Cn
112
Características y Propiedades de los Metales de Transición
Los metales de transición son los elementos situados en la zona central de la Tabla Periódica, principalmente entre los grupos 3 y 12. Pertenecen al bloque d y se caracterizan por presentar orbitales d incompletos en el átomo neutro o en alguno de sus cationes.
Entre ellos se encuentran elementos como el titanio, el cromo, el manganeso, el hierro, el cobalto, el níquel, el cobre, la plata, el oro y el platino.
Configuración electrónica:
La configuración electrónica general de los metales de transición puede expresarse como: (n−1)d¹–¹⁰ ns⁰–²
Los electrones de los orbitales ns y (n−1)d poseen energías similares. Por esta razón, ambos pueden participar en la formación de enlaces y en las reacciones químicas.
Por ejemplo:
Fe: [Ar] 3d⁶ 4s²
Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹
La configuración del cobre constituye una excepción a la distribución más sencilla, ya que el subnivel 3d completo aporta una estabilidad adicional.
Estados de oxidación variables: Una de sus características más importantes es que pueden presentar varios estados de oxidación.
Esto se debe a que pueden perder tanto los electrones del orbital ns como algunos de los electrones del subnivel d.
Ejemplos:
- Hierro: +2 y +3
- Cobre: +1 y +2
- Cromo: +2, +3 y +6
- Manganeso: +2, +4 y +7
- Vanadio: +2, +3, +4 y +5
Los estados de oxidación más bajos suelen presentar un carácter más iónico, mientras que los estados elevados aparecen con frecuencia en compuestos unidos a oxígeno o flúor.
Formación de compuestos coloreados: Muchos iones y compuestos de metales de transición presentan colores intensos.
- Cu²⁺: azul
- Fe²⁺: verde pálido
- Fe³⁺: amarillo o pardo
- Cr³⁺: verde o violeta
- MnO₄⁻: violeta intenso
- Cr₂O₇²⁻: naranja
- El color se debe principalmente a transiciones electrónicas entre orbitales d de distinta energía.
No todos sus compuestos son coloreados. Los iones con subniveles d vacíos o completamente llenos suelen ser incoloros, como Zn²⁺, que presenta configuración d¹⁰.
Actividad Catalítica: Muchos metales de transición y sus compuestos actúan como catalizadores.
Un catalizador aumenta la velocidad de una reacción sin consumirse de forma permanente.
Ejemplos:
- Fe en la síntesis industrial del amoniaco
- V₂O₅ en la fabricación de ácido sulfúrico
- Ni, Pd y Pt en reacciones de hidrogenación
- MnO₂ en la descomposición del peróxido de hidrógeno
- Pt, Pd y Rh en catalizadores de automóviles.
- Su actividad catalítica se relaciona con la posibilidad de presentar varios estados de oxidación y de adsorber reactivos sobre su superficie.
Propiedades magnéticas: Muchos metales de transición y sus iones presentan propiedades magnéticas debido a la presencia de electrones desapareados en los orbitales d.
Las sustancias con electrones desapareados son paramagnéticas y son atraídas por un campo magnético.
Las sustancias sin electrones desapareados son diamagnéticas.
Algunos metales, como el hierro, el cobalto y el níquel, presentan ferromagnetismo y pueden formar imanes permanentes.
Formación de aleaciones: Los metales de transición forman aleaciones con facilidad porque muchos poseen radios atómicos semejantes.
Una aleación es una mezcla sólida formada por dos o más elementos, al menos uno de ellos metálico.
Elevada conductividad: Son buenos conductores del calor y de la electricidad.
Los electrones deslocalizados del enlace metálico pueden desplazarse a través de la estructura y transportar energía y carga eléctrica.
La plata es el metal con mayor conductividad eléctrica, seguida del cobre y del oro.
Elevados puntos de fusión y ebullición: La mayoría presenta puntos de fusión y ebullición elevados.
Esto se debe a la intensidad del enlace metálico, en el que pueden participar electrones ns y d.
Sin embargo, existen excepciones. El mercurio es líquido a temperatura ambiente y presenta un punto de fusión muy bajo.
Densidad elevada: En general, presentan densidades superiores a las de los metales de los grupos 1 y 2.
La densidad suele aumentar hacia la zona central del bloque d, aunque la tendencia no es completamente regular.
El osmio y el iridio se encuentran entre los elementos más densos de la Tabla Periódica.
Dureza y resistencia mecánica: Muchos metales de transición son duros y resistentes.
Se utilizan en la fabricación de:
- Herramientas
- Estructuras
- Maquinaria
- Vehículos
- Componentes sometidos a esfuerzos elevados.
El hierro, el titanio, el cromo y el wolframio destacan por su importancia estructural y tecnológica.
Maleabilidad y ductilidad: Como otros metales, pueden deformarse sin romperse.
La maleabilidad permite formar láminas y la ductilidad permite fabricar hilos.
El cobre, la plata y el oro son especialmente maleables y dúctiles.
Brillo metálico: Presentan brillo metálico cuando su superficie está limpia.
Algunos se recubren de una capa de óxido o de otros compuestos al reaccionar con el aire.
En ciertos casos, esta capa protege el metal frente a una corrosión posterior. Es lo que ocurre con el cromo y el titanio.
Reactividad variable: La reactividad no sigue una tendencia única y sencilla dentro del bloque d.
Algunos metales son relativamente reactivos, como el hierro o el manganeso.
Otros son poco reactivos y reciben el nombre de metales nobles, como:
- Cobre
- Plata
- Oro
- Platino
- Los metales nobles resisten mejor la oxidación y la corrosión.
Importancia biológica: Algunos metales de transición son esenciales para los seres vivos.
- El hierro forma parte de la hemoglobina.
- El cobalto está presente en la vitamina B₁₂
- El cobre interviene en numerosas enzimas.
- El manganeso participa en procesos metabólicos y en la fotosíntesis.
- El zinc forma parte de numerosas enzimas y proteínas.
- Sin embargo, algunos pueden ser tóxicos cuando se encuentran en concentraciones elevadas.
Importancia industrial: Los metales de transición tienen una enorme importancia tecnológica e industrial.
Se utilizan en:
- Fabricación de acero y otras aleaciones
- Construcción
- Cables eléctricos
- Baterías
- Catalizadores
- Herramientas
- Joyería
- Monedas
- Pigmentos
- Electrónica
- Medicina
- Industria aeroespacial.
Reacciones de los metales de transición
Los metales de transición presentan una química muy variada debido a que los electrones de los orbitales ns y (n−1)d poseen energías semejantes. Como consecuencia, pueden intervenir distintos números de electrones en las reacciones químicas y aparecer varios estados de oxidación.
A diferencia de los metales alcalinos y alcalinotérreos, no existe una única reacción general válida para todos los metales de transición. Su comportamiento depende del metal, de su estado de oxidación, del reactivo y de las condiciones de temperatura, concentración y presión.
Oxidación de los metales
Cuando un metal de transición reacciona, normalmente pierde electrones y se transforma en un catión.
La semirreacción general puede representarse como: M → Mⁿ⁺ + n e⁻
Esta posibilidad de formar distintos cationes explica la existencia de varios estados de oxidación.
Reacción con el Oxígeno
Muchos metales de transición reaccionan con el oxígeno y forman óxidos metálicos.
La fórmula del óxido depende del estado de oxidación del metal.
El hierro puede formar óxido de hierro(II): 2 Fe + O₂ → 2 FeO
También puede formar óxido de hierro(III): 4 Fe + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃
En determinadas condiciones se forma magnetita: 3 Fe + 2 O₂ → Fe₃O₄
La magnetita contiene hierro en los estados de oxidación +2 y +3.
Reacción con el agua
La reacción con el agua varía considerablemente entre los metales de transición.
Muchos no reaccionan con agua fría.
Algunos reaccionan con vapor de agua a temperatura elevada.
Por ejemplo, el hierro reacciona con vapor formando magnetita e hidrógeno: 3 Fe + 4 H₂O(g) → Fe₃O₄ + 4 H₂
El zinc puede reaccionar con vapor de agua: Zn + H₂O(g) → ZnO + H₂
El cobre, la plata, el oro y el platino no reaccionan apreciablemente con agua en condiciones normales.
La baja reactividad frente al agua de muchos metales de transición contrasta con el comportamiento de los metales alcalinos y alcalinotérreos.
Reacción con ácidos diluidos
Los metales de transición situados por encima del hidrógeno en la serie de reactividad pueden reaccionar con ácidos diluidos no oxidantes y liberar hidrógeno.
Por ejemplo:
- Fe + 2 HCl → FeCl₂ + H₂
- Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂
- Ni + 2 HCl → NiCl₂ + H₂
- En estas reacciones, el metal se oxida y los iones H⁺ se reducen.
- No todos los metales de transición reaccionan con ácidos diluidos.
Reacción con ácidos oxidantes
Los ácidos oxidantes, como el ácido nítrico y el ácido sulfúrico concentrado, pueden reaccionar con metales que no liberan hidrógeno con ácidos no oxidantes.
Por ejemplo, el cobre reacciona con ácido nítrico concentrado: Cu + 4 HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O
En esta reacción no se forma H₂. El ion nitrato actúa como agente oxidante y se reduce a NO₂.
Con ácido nítrico diluido puede formarse monóxido de nitrógeno: 3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 2 NO + 4 H₂O
El cobre también puede reaccionar con ácido sulfúrico concentrado y caliente: Cu + 2 H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2 H₂O
Estas reacciones muestran que los productos dependen del carácter oxidante del ácido y de su concentración.
Pasivación frente a ácidos oxidantes
Algunos metales, como hierro, cromo y níquel, pueden quedar pasivados por ácidos oxidantes concentrados.
La pasivación se debe a la formación de una capa superficial compacta de óxido que impide que la reacción continúe.
Por ejemplo, el hierro puede quedar pasivado frente al ácido nítrico concentrado.
Esto no significa que el metal sea completamente inerte, sino que la capa formada limita el contacto entre el metal y el ácido.
Reacción con los halógenos
Los metales de transición reaccionan con los halógenos y forman haluros.
La fórmula depende del estado de oxidación del metal.
El hierro puede reaccionar con cloro formando cloruro de hierro(III): 2 Fe + 3 Cl₂ → 2 FeCl₃
En condiciones diferentes puede formar cloruro de hierro(II): Fe + Cl₂ → FeCl₂
Los haluros de los estados de oxidación bajos suelen presentar mayor carácter iónico, mientras que los estados elevados pueden tener mayor carácter covalente.
Reacción con el azufre
Muchos metales de transición reaccionan con el azufre al calentarse y forman sulfuros.
Por ejemplo:
- Fe + S → FeS
- Cu + S → CuS
- 2 Ag + S → Ag₂S
- La formación de sulfuro de plata explica el oscurecimiento de los objetos de plata al exponerse a sustancias que contienen compuestos de azufre.
El sulfuro de plata forma una capa negra sobre la superficie: 4 Ag + 2 H₂S + O₂ → 2 Ag₂S + 2 H₂O
Reacción con el carbono
Algunos metales de transición forman carburos al reaccionar con carbono a temperaturas elevadas.
Ejemplos:
- 3 Fe + C → Fe₃C
- W + C → WC
- Ti + C → TiC
- El carburo de hierro, Fe₃C, se denomina cementita y es importante en la estructura del acero.
- El carburo de wolframio, WC, y el carburo de titanio, TiC, presentan gran dureza y se utilizan en herramientas de corte y materiales resistentes al desgaste.
Reacción con el nitrógeno
Algunos metales de transición reaccionan con nitrógeno a temperaturas elevadas y forman nitruros.
Por ejemplo:
- 2 Ti + N₂ → 2 TiN
- 2 V + N₂ → 2 VN
- 2 Cr + N₂ → 2 CrN
Los nitruros de metales de transición suelen presentar:
- Elevada dureza
- Alta estabilidad térmica
- Resistencia al desgaste
- Buena resistencia química.
- El nitruro de titanio, TiN, se utiliza como recubrimiento protector y presenta un característico color dorado.
Formación de complejos
Una de las reacciones más características de los metales de transición es la formación de complejos.
Un complejo se forma cuando un catión metálico se une a moléculas o iones denominados ligandos.
Por ejemplo, el ion Cu²⁺ en agua aparece rodeado de moléculas de agua: Cu²⁺ + 6 H₂O ⇌ [Cu(H₂O)₆]²⁺ , Este complejo presenta color azul.
Si se añade amoniaco, se forma un complejo azul intenso: [Cu(H₂O)₆]²⁺ + 4 NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺ + 4 H₂O
La formación de complejos modifica propiedades como:
- Color
- Solubilidad
- Estabilidad
- Reactividad
- Potencial redox.
Protección frente a la corrosión
Los metales de transición pueden protegerse mediante:
- Pinturas y recubrimientos
- Galvanizado con zinc
- Recubrimientos de cromo o níquel
- Protección catódica
- Formación de aleaciones resistentes
- Pasivación.
Tendencias dentro del grupo
En los metales de transición no existe una única tendencia tan regular como en los grupos 1 y 2. Estos elementos ocupan los grupos 3–12 del bloque d, por lo que sus propiedades deben estudiarse principalmente:
- A lo largo de cada serie de transición, de izquierda a derecha
- Al descender dentro de un mismo grupo
Las tendencias pueden presentar irregularidades debido a la pequeña diferencia de energía entre los orbitales ns y (n−1)d.
Radio atómico
A lo largo de una serie de transición, el radio atómico disminuye ligeramente desde la izquierda hacia la zona central y después permanece casi constante.
Por ejemplo, en la primera serie: Sc → Ti → V → Cr → Mn → Fe → Co → Ni → Cu → Zn
Al aumentar el número atómico, aumenta la carga nuclear y los electrones son atraídos con mayor intensidad hacia el núcleo.
Sin embargo, los electrones añadidos ocupan el subnivel 3d, que produce cierto efecto de apantallamiento. Por esta razón, la disminución del radio es menos intensa que en los elementos representativos.
Al descender dentro de un grupo, el radio atómico tiende a aumentar. No obstante, los elementos de la segunda y tercera serie suelen presentar tamaños muy parecidos debido a la contracción lantánida.
Radio iónico
El radio iónico depende de:
- El elemento
- El estado de oxidación
- El número de coordinación
- La configuración electrónica.
- Para un mismo elemento, cuanto mayor es el estado de oxidación, menor es el radio del ion.
Por ejemplo: Fe³⁺ es más pequeño que Fe²⁺.
Esto se debe a que el ion Fe³⁺ tiene un electrón menos y una mayor atracción efectiva del núcleo sobre los electrones restantes.
Energía de ionización
La energía de ionización tiende a aumentar ligeramente de izquierda a derecha dentro de una serie.
El aumento no es completamente regular porque los electrones se incorporan al subnivel d y existen configuraciones especialmente estables.
Los electrones del orbital ns se pierden antes que los electrones del subnivel d, aunque el orbital ns se ocupe antes en el átomo neutro.
Electronegatividad
La electronegatividad aumenta de forma moderada de izquierda a derecha en una serie de transición.
Los elementos situados en la parte izquierda del bloque d son más electropositivos, mientras que los situados hacia la derecha atraen con mayor intensidad los electrones de enlace.
Sin embargo, la variación es pequeña y presenta irregularidades.
Los metales de transición situados hacia la derecha, como cobre, plata, oro y platino, suelen mostrar un carácter menos reactivo y más noble.
Carácter metálico
Todos los elementos del bloque d presentan carácter metálico.
A lo largo de una serie, el carácter metálico disminuye ligeramente de izquierda a derecha, aunque todos mantienen propiedades como:
- Brillo metálico
- Conductividad eléctrica
- Maleabilidad
- Ductilidad.
Los elementos de la izquierda del bloque d suelen ser más electropositivos y reactivos.
Estados de oxidación
La variedad de estados de oxidación aumenta desde el comienzo de una serie hasta alcanzar un máximo cerca del centro y después disminuye.
Reactividad
La reactividad general tiende a disminuir desde la izquierda hacia la derecha del bloque d.
Los elementos situados al comienzo de una serie, como escandio, titanio y vanadio, son relativamente reactivos.
Los situados hacia la derecha, como cobre, plata, oro y platino, son menos reactivos.
Algunos metales parecen poco reactivos debido a la formación de una capa protectora de óxido. Este fenómeno se denomina pasivación.
Puntos de fusión
Los puntos de fusión suelen aumentar desde el inicio de una serie hasta la zona central y después disminuyen.
Los elementos centrales poseen un enlace metálico especialmente intenso debido a la participación de un mayor número de electrones d desapareados.
El wolframio presenta uno de los puntos de fusión más elevados entre los elementos metálicos.
Puntos de ebullición
Los puntos de ebullición suelen ser elevados y presentan una tendencia semejante a la de los puntos de fusión.
En general, alcanzan valores altos en la zona central de las series y disminuyen hacia los extremos.
La tendencia no es completamente regular debido a las diferencias en la estructura electrónica y cristalina.
Densidad
La densidad suele aumentar de izquierda a derecha dentro de una serie, alcanzando valores elevados en la zona central o hacia el final.
Esto se debe a que la masa atómica aumenta mientras el radio atómico cambia relativamente poco.
Algunos de los elementos más densos de la Tabla Periódica son metales de transición:
- Osmio
- Iridio
- Platino
Dureza
La dureza suele aumentar hacia la zona central de una serie y disminuir hacia el final.
Los elementos centrales presentan enlaces metálicos fuertes.
Por ejemplo, el cromo y el wolframio son muy duros.
En cambio, el cobre, la plata y el oro son más blandos y maleables.
Conductividad eléctrica
Todos los metales de transición son buenos conductores de la electricidad.
La conductividad no sigue una tendencia completamente regular.
La plata presenta la mayor conductividad eléctrica entre los metales, seguida por el cobre y el oro.
El cobre se utiliza más ampliamente que la plata porque es mucho más abundante y económico.
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Errores frecuentes sobre los metales de transición
Los metales de transición presentan una química más compleja que los elementos de los grupos 1 y 2. Sus estados de oxidación variables, la formación de complejos y las irregularidades dentro del bloque d provocan numerosos errores conceptuales.
- Considerar que todos los elementos de los grupos 3–12 son metales de transición: En sentido amplio, suele llamarse metales de transición a los elementos situados entre los grupos 3 y 12. Sin embargo, según la definición química estricta, un metal de transición debe formar al menos un átomo o catión con el subnivel d incompleto. Por esta razón, elementos como zinc, cadmio y mercurio generan cierta discusión:
- Zn forma principalmente Zn²⁺, con configuración d¹⁰
- Cd forma principalmente Cd²⁺, con configuración d¹⁰
- Hg forma frecuentemente Hg²⁺, con configuración d¹⁰.
- En muchos temarios escolares se incluyen dentro del bloque d, aunque no cumplan estrictamente la definición de metal de transición.
- Pensar que todos presentan varios estados de oxidación: Muchos metales de transición presentan estados de oxidación variables, pero no todos muestran la misma variedad.
- Zn presenta prácticamente solo +2.
- Mn presenta +2, +3, +4, +6 y +7
- Fe presenta principalmente +2 y +3
- Olvidar que los electrones ns se pierden antes que los electrones d: En los átomos neutros, el orbital ns suele llenarse antes que el subnivel (n−1)d. Sin embargo, al formar cationes, los electrones ns se eliminan primero.
- Aplicar la misma configuración general a todos sin considerar excepciones: La configuración electrónica general del bloque d se expresa como: (n−1)d¹–¹⁰ ns⁰–² . Sin embargo, existen excepciones importantes debido a la estabilidad de los subniveles semillenos o completos.
- Por ejemplo:
- Cr: [Ar] 3d⁵ 4s¹
- Cu: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹
- Confundir estado de oxidación con carga real: El estado de oxidación es una herramienta formal para distribuir electrones en un compuesto. No siempre coincide exactamente con una carga localizada sobre el átomo. Por ejemplo, en un complejo covalente, el metal puede tener un estado de oxidación definido aunque la distribución electrónica real sea más compleja.
- Suponer que todos reaccionan con agua: Muchos metales de transición no reaccionan con agua fría. Algunos reaccionan con vapor de agua cuando se calientan.
- No debe confundirse la carga total del complejo con el estado de oxidación del metal.
- Confundir aleación con compuesto químico: Una aleación es una mezcla sólida de elementos, al menos uno de ellos metálico.No tiene necesariamente una proporción fija ni una fórmula química definida.
Curiosidades sobre los Metales Alcalinos
- Reciben el nombre de “transición” porque se encuentran entre los elementos del bloque s y los del bloque p.
- Muchos metales de transición y sus compuestos actúan como catalizadores.
- El platino, el paladio y el rodio se utilizan en los catalizadores de los automóviles.
- El acero es una aleación formada principalmente por hierro y carbono.
- El acero inoxidable contiene hierro, cromo y, con frecuencia, níquel.
- El latón es una aleación de cobre y zinc.
- El bronce es una aleación formada principalmente por cobre y estaño.
- El cuproníquel contiene cobre y níquel y se utiliza en algunas monedas.
- El cobre forma con el tiempo una capa superficial verdosa denominada pátina.
- La Estatua de la Libertad presenta un color verdoso debido a la formación de esta pátina sobre su superficie de cobre.
- El oro es uno de los metales menos reactivos.
- El oro no reacciona con la mayoría de los ácidos por separado.
- Sin embargo, puede disolverse en agua regia, una mezcla de ácido clorhídrico y ácido nítrico.
- El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel.
- El movimiento de materiales conductores en el núcleo externo contribuye a generar el campo magnético terrestre.
- El hierro es uno de los metales más utilizados por la humanidad.
- La Edad del Hierro comenzó cuando las sociedades desarrollaron técnicas para obtener y trabajar este metal.
- El renio es uno de los elementos más escasos de la corteza terrestre.
- Los metales de transición son esenciales en numerosos procesos naturales, industriales y biológicos.
- Sin ellos no existirían muchos de los materiales, catalizadores, dispositivos electrónicos, medios de transporte y procesos metabólicos utilizados o conocidos actualmente.
Itrio (Y)
- Símbolo químico: Y
- Número atómico: 39
- Grupo: 3
- Periodo: 5
- Bloque: d
- Familia química: metal de transición
- Configuración electrónica: [Kr] 4d¹ 5s²
- Electrones de valencia: 3
- Estado de oxidación habitual: +3
- Ion característico: Y³⁺
- Masa atómica aproximada: 88,91 u
- Carácter de sus compuestos: Predominantemente iónico.
- Estado físico a temperatura ambiente: sólido
- Aspecto: metal plateado y brillante
- Es un metal de transición relativamente reactivo.
- No suele encontrarse libre en la naturaleza.
- Reacciona lentamente con el aire a temperatura ambiente.
- Al calentarse, reacciona con oxígeno, halógenos, nitrógeno, azufre e hidrógeno.
En la Industria
El itrio se utiliza principalmente en forma de compuestos y aleaciones. Aunque no es uno de los metales más abundantes, resulta importante en la fabricación de materiales luminiscentes, cerámicas avanzadas, láseres, superconductores y componentes electrónicos.
Industria de materiales luminiscentes
Una de las aplicaciones más conocidas del itrio es la fabricación de materiales capaces de emitir luz cuando reciben energía.
El óxido de itrio dopado con europio produce una emisión roja intensa y se ha utilizado en:
- Pantallas de televisión
- Monitores
- Lámparas fluorescentes
- Paneles de visualización
- Dispositivos LED
Los compuestos de itrio participan en la fabricación de fósforos utilizados en diodos emisores de luz.
Uno de los materiales más importantes es el granate de itrio y aluminio dopado con cerio: Y₃Al₅O₁₂:Ce
Este material se conoce como YAG:Ce.
Fabricación de láseres
El granate de itrio y aluminio, YAG, se utiliza como material cristalino en numerosos sistemas láser.
Estos láseres se emplean en:
- Corte y soldadura de metales
- Grabado industrial
- Perforación de precisión
- Telecomunicaciones
- Cirugía
Cerámicas avanzadas
El óxido de itrio se utiliza en la fabricación de cerámicas técnicas capaces de soportar temperaturas elevadas, ambientes corrosivos y esfuerzos mecánicos.
Estas cerámicas se emplean en:
- Turbinas
- Motores
- Hornos industriales
- Recubrimientos térmicos
- Herramientas de corte
Superaleaciones
El itrio puede incorporarse en pequeñas cantidades a superaleaciones utilizadas en turbinas y motores.
Su presencia ayuda a estabilizar determinadas capas de óxido protectoras sobre la superficie del material.
Esto permite mejorar la resistencia frente a:
- Oxidación
- Corrosión caliente
- Ciclos térmicos
- Temperaturas extremas.
Superconductores
El itrio forma parte de algunos materiales superconductores de alta temperatura.
Uno de los más conocidos es el óxido de itrio, bario y cobre: YBa₂Cu₃O₇
Este compuesto se conoce habitualmente como YBCO.
Cuando se enfría por debajo de una temperatura determinada, puede conducir la electricidad con una resistencia prácticamente nula.
Los superconductores basados en itrio se investigan para:
- Cables eléctricos
- Electroimanes
- Trenes de levitación magnética
- Equipos de resonancia magnética
- Sistemas de almacenamiento energético
- Limitadores de corriente
- Dispositivos científicos.
También se emplea en:
- Industria óptica: El fluoruro de itrio y otros compuestos pueden presentar buena transparencia en determinadas regiones del espectro electromagnético.
- Metalurgia: El itrio puede actuar como desoxidante y modificador de la estructura de algunas aleaciones.
- Industria médica: Algunos materiales que contienen itrio se utilizan en medicina.
- Industria nuclear: Algunos compuestos de itrio presentan buena resistencia a la radiación y a temperaturas elevadas.
- Investigación energética:
En resumen, el itrio se utiliza principalmente en fósforos para iluminación, láseres YAG, zirconia estabilizada, cerámicas técnicas, sensores de oxígeno, pilas de combustible, superconductores, aleaciones avanzadas, componentes electrónicos y aplicaciones médicas. Su importancia industrial se debe sobre todo a su capacidad para mejorar las propiedades ópticas, térmicas, eléctricas y mecánicas de otros materiales.
Historia y Descubrimiento
El itrio fue descubierto a finales del siglo XVIII durante el estudio de un mineral encontrado en Suecia. Su historia está estrechamente relacionada con el descubrimiento de las tierras raras, un conjunto de elementos con propiedades químicas muy semejantes y difíciles de separar.
El nombre itrio procede de Ytterby, una pequeña localidad situada cerca de Estocolmo, en Suecia.
En una cantera próxima a esta localidad se encontró un mineral oscuro y pesado que contenía varios elementos desconocidos.
En 1787, el militar y aficionado a la mineralogía sueco Carl Axel Arrhenius encontró un mineral negro y pesado en una cantera de feldespato cercana a Ytterby.
Arrhenius pensó que podía contener un metal desconocido y lo denominó ytterbita, en referencia al lugar donde había sido hallado. Posteriormente, el mineral recibió el nombre de gadolinita.
En 1794, el químico finlandés Johan Gadolin analizó el mineral encontrado por Arrhenius.
Durante sus investigaciones aisló un óxido desconocido que representaba una parte importante de la muestra.
Este descubrimiento se considera la identificación del itrio, aunque Gadolin no obtuvo el elemento metálico puro.
En 1843, el químico sueco Carl Gustaf Mosander estudió muestras de itria y consiguió separarlas en varias fracciones.
Más adelante se comprobó que estas fracciones todavía contenían mezclas de distintos elementos.
El itrio metálico fue obtenido por primera vez en 1828 por el químico alemán Friedrich Wöhler.
La obtención de itrio de elevada pureza fue muy difícil durante el siglo XIX.
Los métodos modernos de intercambio iónico y extracción por disolventes, desarrollados principalmente durante el siglo XX, permitieron obtener itrio mucho más puro.
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Titanio (Ti)
- Símbolo químico: Ti
- Número atómico: 22
- Grupo: 4
- Periodo: 4
- Bloque: d
- Familia química: metal de transición
- Configuración electrónica: [Ar] 3d² 4s²
- Electrones de valencia: 4
- Estados de oxidación más habituales: +2, +3 y +4
- Estado de oxidación principal: +4
- Ion característico: Ti⁴⁺
- Masa atómica aproximada: 47,87 u
- Estado físico a temperatura ambiente: sólido
- Aspecto: metal gris plateado y brillante
- Es un metal de transición relativamente reactivo.
- Presenta una elevada afinidad por el oxígeno.
- A temperatura ambiente queda protegido por una capa fina, compacta y adherente de óxido de titanio.
- Sus compuestos pueden presentar carácter iónico o covalente según el estado de oxidación y los elementos con los que se combine.
- No se encuentra libre en la naturaleza debido a su reactividad.
- Al calentarse, reacciona con oxígeno, nitrógeno, halógenos, hidrógeno, carbono y azufre.
- Resiste bien el agua de mar, el cloro húmedo y numerosos medios corrosivos.
- Puede ser atacado por determinados ácidos, especialmente cuando se elimina la capa protectora.
- Carácter químico: anfótero
- Gran estabilidad química
- Elevada resistencia térmica
- Capacidad para absorber radiación ultravioleta
En la Industria
El titanio es uno de los metales más importantes en aplicaciones donde se necesitan materiales ligeros, resistentes y capaces de soportar ambientes corrosivos. Su combinación de baja densidad, elevada resistencia mecánica y excelente resistencia a la corrosión explica su uso en sectores tecnológicos y de altas prestaciones.
Industria aeroespacial
El titanio se utiliza ampliamente en aviones, helicópteros, cohetes, satélites y vehículos espaciales.
Sus principales ventajas son:
- Elevada relación resistencia-peso
- Baja densidad
- Resistencia a la fatiga
- Buena estabilidad a temperaturas elevadas
- Resistencia a la corrosión.
Se emplea en:
- Componentes de motores
- Estructuras del fuselaje
- Trenes de aterrizaje
- Discos y palas de turbinas
- Piezas sometidas a grandes esfuerzos.
- Las aleaciones de titanio permiten reducir el peso de las aeronaves sin perder resistencia mecánica.
Una de las aleaciones más utilizadas es: Ti-6Al-4V
Contiene aproximadamente:
- 6 % de aluminio
- 4 % de vanadio
- El resto, titanio.
Industria médica
El titanio presenta una elevada biocompatibilidad.
La capa superficial de TiO₂ reduce la corrosión y limita la liberación de iones al organismo.
Por ello, se utiliza en:
- Implantes dentales
- Prótesis de cadera y rodilla
- Tornillos y placas óseas
- Implantes craneales
- Dispositivos de fijación
- Instrumentos quirúrgicos.
Industria química
El titanio se utiliza en equipos que trabajan con sustancias corrosivas.
Se emplea para fabricar:
- Reactores
- Tuberías
- Válvulas
- Bombas
- Intercambiadores de calor
- Depósitos
- Columnas de proceso
- Su resistencia a la corrosión resulta especialmente útil en presencia de cloruros, agua salada y numerosos productos químicos.
Otras aplicaciones importantes del Titanio y sus Aleaciones:
- Industria naval: hélices, ejes, submarinos, estructuras marinas.
- Plantas desalinizadoras: Los intercambiadores de calor y tuberías de titanio se emplean en instalaciones de desalinización.
- Industria energética: El titanio se utiliza en centrales eléctricas y sistemas energéticos.
- Motociclismo y ciclismo: cuadros de bicicleta, componentes de suspensión, escapes de motocicletas, piezas de competición.
- Industria deportiva: palos de golf, raquetas, material de escalada, equipos de buceo.
- Fabricación de pigmentos: La mayor parte del titanio extraído no se utiliza como metal, sino como dióxido de titanio, TiO₂
- Industria de pinturas: El dióxido de titanio se utiliza como pigmento blanco
- Recubrimientos duros: El titanio forma compuestos muy duros, como, TiN, nitruro de titanio, TiC, carburo de titanio; TiCN, carbonitruro de titanio.
- Estos materiales se aplican como recubrimientos sobre: brocas, fresas, herramientas de corte.
Historia y Descubrimiento
El titanio fue identificado a finales del siglo XVIII, aunque fue necesario esperar más de un siglo para obtener el metal con una pureza elevada. Esta dificultad se debe a su gran afinidad por el oxígeno, el nitrógeno y el carbono cuando se encuentra a temperaturas altas.
En 1791, el clérigo, mineralogista y químico británico William Gregor estudió unas arenas negras procedentes del valle de Manaccan, en Cornualles, Inglaterra.
Gregor separó de estas arenas un mineral oscuro que contenía hierro y el óxido de un elemento desconocido. El mineral recibió el nombre de menachanita o manaccanita, por el lugar donde había sido encontrado.
Aunque Gregor no consiguió aislar el nuevo metal, reconoció correctamente que el mineral contenía una sustancia que no correspondía a ningún elemento conocido.
El nombre procede de los Titanes de la mitología griega, seres asociados con una fuerza extraordinaria. Klaproth prefería utilizar nombres mitológicos que no describieran directamente las propiedades del elemento.
La identificación del titanio no significó que se hubiera obtenido el elemento metálico puro.
El titanio puro es relativamente dúctil, pero pequeñas cantidades de oxígeno, nitrógeno o carbono pueden modificar considerablemente sus propiedades.
En 1825, Jöns Jacob Berzelius obtuvo una muestra de titanio mediante la reducción de un compuesto fluorado con potasio. Sin embargo, el material obtenido contenía impurezas y no podía considerarse titanio puro.
En 1910, el químico neozelandés Matthew Albert Hunter obtuvo titanio de gran pureza calentando tetracloruro de titanio con sodio metálico en un recipiente cerrado: TiCl₄ + 4 Na → Ti + 4 NaCl, Este procedimiento recibió el nombre de proceso Hunter.
El experimento representó un avance importante porque permitió obtener titanio metálico mucho más puro que las muestras anteriores. Sin embargo, el proceso era lento, costoso y poco adecuado para una producción industrial a gran escala.
En la década de 1930, el metalúrgico luxemburgués William Justin Kroll desarrolló un método más eficiente para producir titanio. El proceso Kroll utiliza magnesio para reducir el tetracloruro de titanio: TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂ . La reacción debe realizarse en una atmósfera inerte, ya que el titanio caliente reacciona con el oxígeno y el nitrógeno del aire. El producto obtenido es una masa porosa denominada esponja de titanio. Posteriormente, la esponja se purifica, se compacta y se funde para fabricar lingotes y aleaciones.
El titanio no se encuentra libre en la naturaleza debido a su reactividad.
El titanio tuvo pocas aplicaciones antes del siglo XX debido a la dificultad y al coste de su producción.
A mediados del siglo XX comenzó a estudiarse el buen comportamiento del titanio en contacto con los tejidos humanos. El médico e investigador sueco Per-Ingvar Brånemark observó que el hueso podía adherirse firmemente a superficies de titanio. Este fenómeno recibió el nombre de osteointegración.
Vanadio (V)
- Símbolo químico: V
- Número atómico: 23
- Grupo: 5
- Periodo: 4
- Bloque: d
- Familia química: metal de transición
- Configuración electrónica: [Ar] 3d³ 4s²
- Electrones de valencia: 5
- Estados de oxidación más habituales: +2, +3, +4 y +5
- Estado de oxidación principal: +5
- Masa atómica aproximada: 50,94 u
- Estado físico a temperatura ambiente: sólido
- Aspecto: metal gris plateado, duro y brillante
- Carácter químico: anfótero
- Presenta una química redox muy variada.
- Muchos de sus compuestos presentan colores intensos.
- Los distintos estados de oxidación del vanadio producen colores diferentes en disolución.
- El metal compacto resiste relativamente bien la corrosión gracias a la formación de una capa superficial protectora.
- No se encuentra libre en la naturaleza.
- Al calentarse, reacciona con oxígeno, halógenos, nitrógeno, carbono y azufre.
- Puede ser atacado por ácidos fuertes en determinadas condiciones.
En la Industria
El vanadio se utiliza principalmente como elemento de aleación y en forma de compuestos químicos. Su capacidad para aumentar la resistencia de los aceros, formar materiales muy duros y actuar como catalizador explica su importancia en la metalurgia, la industria química, la energía y las tecnologías avanzadas.
Industria siderúrgica
La mayor parte del vanadio producido se utiliza en la fabricación de aceros especiales.
Se añade en pequeñas cantidades porque puede mejorar notablemente las propiedades del acero.
Sus principales efectos son:
- Aumentar la resistencia mecánica
- Incrementar la dureza
- Mejorar la resistencia al desgaste
- Aumentar la resistencia a la fatiga
- Conservar buenas propiedades a temperaturas elevadas.
- El vanadio forma carburos y nitruros muy estables dentro del acero, como VC y VN. Estas partículas dificultan el desplazamiento de las dislocaciones y refuerzan el material.
Aceros de alta resistencia
Los aceros microaleados con vanadio se utilizan en estructuras que necesitan soportar grandes cargas sin aumentar excesivamente su masa.
Se emplean en:
- Puentes
- Edificios
- Tuberías
- Grúas
- Maquinaria pesada
- Plataformas industriales
- Estructuras ferroviarias.
Industria del automóvil
Los aceros con vanadio se utilizan en numerosos componentes de vehículos.
Entre ellos se encuentran:
- Ejes
- Engranajes
- Cigüeñales
- Bielas
- Chasis
- Piezas de transmisión
- Herramientas de mantenimiento
Industria ferroviaria
Las aleaciones y aceros con vanadio se emplean en:
- Raíles
- Ruedas ferroviarias
- Ejes
- Sistemas de suspensión
- Componentes de locomotoras
- Piezas sometidas a rozamiento
Otras aplicaciones importantes son:
- Herramientas de corte: brocas, fresas, sierras, cuchillas, matrices, punzones, herramientas de mecanizado.
- Los carburos de vanadio aumentan la dureza y permiten que las herramientas conserven el filo durante más tiempo.
- Aleaciones de titanio: El vanadio se utiliza en determinadas aleaciones de titanio. La más conocida es Ti-6Al-4V. Esta aleación contiene aproximadamente un 4 % de vanadio y un 6 % de aluminio.
- Industria aeroespacial: fuselajes, motores aeronáuticos, trenes de aterrizaje, componentes de turbinas, cohetes, satélites, estructuras espaciales.
- Industria militar: blindajes, vehículos, herramientas, sistemas mecánicos de altas prestaciones.
- Industria química: El compuesto de vanadio más importante en la industria química es el pentóxido de vanadio, V₂O₅ . Se emplea principalmente como catalizador en reacciones de oxidación.
- Fabricación de ácido sulfúrico: El V₂O₅ se utiliza como catalizador en el proceso de contacto para oxidar dióxido de azufre a trióxido de azufre, 2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃ , Posteriormente, el SO₃ se utiliza para producir ácido sulfúrico.
- Producción de anhídrido maleico: Los catalizadores basados en óxidos de vanadio se utilizan para producir anhídrido maleico mediante la oxidación controlada de hidrocarburos. El anhídrido maleico se emplea en la fabricación de: resinas, plásticos, aditivos, productos químicos intermedios.
- Control de emisiones contaminantes: Los catalizadores de vanadio se utilizan en sistemas industriales destinados a reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno. En la reducción catalítica selectiva se emplea amoniaco para transformar los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua.
- Estos sistemas se utilizan en: centrales térmicas, cementeras, incineradoras, calderas industriales, determinados motores.
- Industria del vidrio: Los compuestos de vanadio pueden utilizarse para colorear vidrios. Dependiendo del estado de oxidación y de la composición del material, pueden producir tonalidades: verdes, azules, amarillas, pardas.
- Baterías de flujo de vanadio: Una de las aplicaciones energéticas más importantes es la batería redox de flujo de vanadio. Estas baterías utilizan disoluciones con diferentes estados de oxidación del vanadio para almacenar energía.
Historia y Descubrimiento
La historia del vanadio es especialmente singular porque el elemento fue descubierto, rechazado y redescubierto varias décadas después. El reconocimiento inicial corresponde al mineralogista Andrés Manuel del Río, aunque el nombre definitivo fue propuesto posteriormente por Nils Gabriel Sefström.
En 1801, el mineralogista hispanomexicano Andrés Manuel del Río analizaba un mineral de plomo procedente de una mina de Zimapán, en el actual estado mexicano de Hidalgo.
El mineral era conocido entonces como plomo pardo y actualmente se identifica con la vanadinita: Pb₅(VO₄)₃Cl
Durante su estudio, Del Río obtuvo compuestos con diferentes colores y concluyó que el mineral contenía un elemento químico desconocido. Este trabajo fue realizado en el Real Seminario de Minería de la Ciudad de México. Del Río llamó inicialmente al nuevo elemento pancromio.
El nombre procede de términos griegos relacionados con “todos los colores”, debido a la gran variedad cromática que presentaban sus compuestos.
Rechazo del descubrimiento:
- Del Río envió muestras y descripciones de su descubrimiento a Europa para que otros científicos confirmaran sus resultados.
- El químico francés Hippolyte Victor Collet-Descotils analizó una muestra y concluyó erróneamente que el mineral solo contenía cromo.
- Como consecuencia, Del Río retiró su afirmación y aceptó que la sustancia que había descubierto podía ser una forma impura de cromo. Durante aproximadamente treinta años, el eritronio dejó de considerarse un elemento nuevo
Redescubrimiento en Suecia
En 1830, el químico sueco Nils Gabriel Sefström estudió minerales de hierro procedentes de la región sueca de Taberg.
Durante su análisis encontró un óxido que contenía un elemento desconocido. Sefström observó que sus compuestos presentaban numerosos colores y concluyó que se trataba de un nuevo elemento.
El hallazgo fue anunciado formalmente a comienzos de la década de 1830. Sefström dio al elemento el nombre de vanadio. El nombre procede de Vanadis, una denominación de la diosa nórdica Freyja, asociada con la belleza.
Tras el trabajo de Sefström, el químico alemán Friedrich Wöhler estudió muestras del mineral mexicano analizado por Andrés Manuel del Río.
Wöhler demostró que el vanadio de Sefström y el eritronio de Del Río eran el mismo elemento.
Así se confirmó que Del Río lo había descubierto originalmente en 1801, casi treinta años antes de su redescubrimiento en Suecia. Sin embargo, el nombre vanadio ya se había difundido y fue el que permaneció oficialmente.
Aunque el elemento había sido identificado en sus compuestos, obtener vanadio metálico puro resultó muy difícil.
El vanadio presenta una gran afinidad por: oxígeno, nitrógeno, carbono, hidrógeno.
Cuando se intentaban reducir sus óxidos a temperaturas elevadas, el producto reaccionaba con estas sustancias y formaba óxidos, nitruros, carburos o hidruros.
Como consecuencia, las primeras muestras consideradas vanadio metálico contenían importantes cantidades de impurezas.
En 1831, Jöns Jacob Berzelius intentó obtener el metal mediante la reducción de compuestos de vanadio. Durante un tiempo se creyó que había conseguido aislarlo. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que el producto obtenido era principalmente nitruro de vanadio: VN. Este error se explica por la facilidad con la que el vanadio caliente reacciona con el nitrógeno.
El químico británico Henry Enfield Roscoe consiguió obtener vanadio metálico de gran pureza durante la década de 1860. Roscoe redujo un cloruro de vanadio mediante hidrógeno a temperatura elevada. Una representación simplificada del procedimiento es: 2 VCl₃ + 3 H₂ → 2 V + 6 HCl
Las fuentes históricas sitúan este aislamiento entre 1867 y 1869, dependiendo de si se considera la primera preparación experimental o la publicación y confirmación definitiva de los resultados. Roscoe también demostró que las muestras obtenidas anteriormente contenían nitruro de vanadio.
A comienzos del siglo XX aumentó el interés por los aceros que contenían vanadio.
El desarrollo de la industria automovilística favoreció el uso de los aceros al vanadio.
Tantalio (Ta)
