Los metales deben sus numerosas propiedades macroscópicas a la naturaleza electrónica particular de su enlace metálico. En efecto, el líquido de electrones libres les confiere la característica de buenos conductores de calor y electricidad. Para lograrlo, favorece la propagación de fonones y la circulación de corriente eléctrica en el material. Esta naturaleza electrónica particular explica la plasticidad, maleabilidad y ductilidad de los metales, asegurando su cohesión durante una deformación que rompe otros enlaces interatómicos. También es el origen del brillo particular y la absorbancia de los metales gracias a su interacción con las ondas electromagnéticas. Como refuerza otros tipos de enlaces interatómicos, también les confiere un punto de ebullición y un punto de fusión más elevados en comparación con los no metales. Las estructuras cristalinas formadas por los metales sólidos provienen de estos enlaces, especialmente de los enlaces covalentes de coordinación. Las estructuras más frecuentes son la cúbica centrada, la cúbica centrada en las caras y la hexagonal compacta. También llamada cúbica centrada en el cuerpo, la estructura cúbica centrada se forma a partir de átomos situados en los ocho vértices y en el centro de un cubo. Las otras dos estructuras se asemejan en el sentido de que cada uno de sus átomos está rodeado por otros doce átomos. Sin embargo, difieren en el nivel de apilamiento de sus átomos. En cualquier caso, algunos metales pueden cambiar de estructura cristalina según la presión y la temperatura ejercidas sobre ellos.

Sin embargo, no todos los metales, especialmente las aleaciones, son cristalinos. Es posible crear aleaciones metálicas amorfas mediante el temple. Esta operación metalúrgica consiste en calentar los metales y luego enfriarlos rápidamente. Para este tratamiento, se utilizan metales con átomos de tamaños sensiblemente diferentes para limitar la cristalización durante el enfriamiento. Estas aleaciones metálicas amorfas, también llamadas vidrios metálicos, son menos frágiles y más resistentes que los metales usuales. También son más resistentes a la corrosión y a la deformación.

Por enlace metálico se entiende la fuerte atracción electrostática existente entre los electrones deslocalizados y los cationes metálicos inmóviles de carga positiva. Su fuerza depende del número de electrones libres por átomo metálico. Los metales de transición, situados en el medio del bloque d, en el nivel del 5º período y más allá, tienen la mayor fuerza de enlace metálico. Para un metal, el mejor indicador de esta fuerza es su temperatura de ebullición ya que los enlaces metálicos subsisten en estado líquido.

Elementos químicos metálicos

En la tabla periódica de los elementos, se encuentran aproximadamente siete metaloides y 86 metales. Estos últimos se encuentran en la parte izquierda, en el centro y en una parte de la derecha de la tabla. A veces aparece una línea de demarcación entre no metales y metales en algunas representaciones. Aunque es convencional, es arbitraria ya que no simboliza una ruptura neta de las propiedades macroscópicas entre elementos. Por lo tanto, las propiedades metálicas y no metálicas de ciertos metaloides se superponen. No hay que olvidar que la transición entre no metales y metales es relativamente conocida. Además, es posible que un mismo elemento presente varias formas alotrópicas con propiedades no metálicas para unas y más metálicas para otras. Este es el caso del estaño. Este elemento químico tiene propiedades metaloides cercanas a un no metal cuando existe bajo una fase α gris de estructura cúbica, por un lado. Por otro lado, puede tener las propiedades de un metal pobre cuando existe bajo una fase β blanca de estructura tetragonal.

Los metales se clasifican generalmente en familias más o menos informales en vista de sus diferentes propiedades. Teniendo en cuenta las propiedades químicas, cuanto más nos desplazamos hacia la izquierda y más descendemos en la tabla, más marcado es el carácter metálico de los elementos. Así, los metales alcalinos son los elementos químicos más metálicos. Por el contrario, los menos metálicos son los halógenos (los no metales diatómicos). Otras familias se sitúan entre estas dos primeras categorías. Por orden decreciente de la afirmación de su carácter metálico, se citan los metales alcalinotérreos, los lantánidos, los actínidos, los metales de transición y los metales pobres.

Desde un punto de vista práctico, varios términos se utilizan para designar las familias de aleaciones y elementos metálicos. Las aleaciones desprovistas o que contienen ferrita se denominan respectivamente “metales no ferrosos” y “metales ferrosos”. Los “metales nobles” agrupan a los elementos metálicos resistentes a la oxidación en el aire y a la corrosión. Se citan el rodio, el osmio, el rutenio, la plata, el platino, el iridio y el oro. El mercurio a menudo se considera un “metal noble”, a diferencia del tántalo, el niobio y el titanio, aunque estos tres elementos son igualmente resistentes a la corrosión. Los “metales preciosos” son los elementos más raros, de ahí un valor de mercado más elevado que los demás. Reúnen el oro, el paladio, el platino y la plata. Según la norma internacional ISO 4217, sus códigos monetarios respectivos son XAU, XPD, XPT y XAG. Los platinoides, es decir, los metales de transición pertenecientes al grupo del platino, también son metales preciosos. Los “metales refractarios” agrupan el tántalo, el niobio, el tungsteno, el molibdeno y el renio. Estos metales son particularmente resistentes al desgaste y a las altas temperaturas. El tecnecio también pertenece a esta familia, pero no se menciona a menudo como tal debido a su radioactividad y su característica sintética.

De hecho, el elemento con la menor densidad pertenece a esta última familia: el litio (0,534 g/cm⁻³ a 25 °C). El punto de fusión de los alcalinos es particularmente bajo. Aparte del litio, todos estos metales se licúan a 100 °C. Además, la mayoría de los metales están dotados de una ductilidad aumentada y una buena maleabilidad, lo que les permite deformarse sin romperse. Así, el oro puro puede presentarse en forma de hojas ultrafinas. El cobre puro puede ser laminado y martillado para crear ollas, o estirado para formar tubos y cables eléctricos. Sin embargo, es posible endurecer el metal con ciertos elementos de aleación. Este es el caso del estaño que endurece el cobre para obtener bronce y del carbono que endurece el hierro para dar acero. También se puede citar el cobre y la plata que endurecen el oro.

Los elementos que se encuentran en el centro de la familia de los metales de transición tienen la mayor fuerza de enlace metálico. La razón es simple: poseen numerosos electrones deslocalizados en su estructura. Otros factores también son importantes, para citar solo el tipo de estructura cristalina y la superposición de las energías de los orbitales. También encontramos el radio atómico, el número de orbitales de enlace y el número atómico. Los enlaces metálicos dados por las estructuras cúbicas centradas son menos fuertes que los de las estructuras hexagonales compactas y los de las estructuras cúbicas centradas en las caras. La causa de ello es la coordinación más elevada de las dos últimas estructuras, lo que les permite unir más átomos vecinos que la primera.

Los metales son opacos cuando su espesor supera algunos micrómetros, aunque las hojas de oro pueden transmitir una luz verde. Su superficie es generalmente brillante.

Propiedades mecánicas

La ley de Hooke modeliza la deformación elástica de los metales cuando esta deformación es una función lineal de la tensión. Una deformación plástica es la modificación irreversible de un objeto como resultado de su calentamiento. En otras palabras, la disposición de los átomos del material ha sido modificada de forma permanente. Esto afecta a la movilidad de los defectos estructurales del mismo, como las dislocaciones, las lagunas y las juntas de grano. Los defectos de apilamiento de los sólidos no cristalinos y cristalinos también forman parte de ello. Debe aportarse una energía de activación para que tales defectos se muevan. Este movimiento está así limitado por la velocidad de difusión atómica. La deformación plástica también puede resultar de la aplicación de un trabajo o una fuerza. Estas tensiones mecánicas pueden ser la tensión, la compresión, la flexión, el cizallamiento o incluso la torsión.

En lo que respecta a las juntas de grano, el flujo viscoso alrededor de ellas puede causar cambios importantes en la microestructura del metal. Esto puede ser el crecimiento localizado de la densidad del material o bien el crecimiento de los granos. También es posible que este flujo cause la fatiga o la fluencia del material. Por cierto, la no directividad de los enlaces metálicos puede contribuir significativamente a la ductilidad de los metales sólidos.

Propiedades magnéticas

Algunos metales son magnéticos, con diferentes tipos de magnetismos. A temperatura ambiente, el cobalto, el níquel y sobre todo el hierro son ferromagnéticos, por ejemplo. Concretamente, estos materiales pueden ser fuertemente magnetizados cuando se sitúan en un campo magnético. Cuando este último es suprimido, pueden permanecer magnetizados gracias al fenómeno de histéresis magnética. Los lantánidos (elementos pertenecientes a las tierras raras) también presentan esta propiedad ferromagnética cuando están a baja temperatura.

Las propiedades magnéticas cambian de una aleación a otra. Por un lado, pueden ser explotadas para obtener imanes potentes. Por otro lado, pueden anular el magnetismo del metal como el hierro.

Propiedades de los óxidos

Se forman cationes cuando los metales pierden electrones. A título de ejemplo, podemos citar el catión Na⁺ que se crea después de la pérdida de un electrón sufrida por el sodio. También encontramos el catión Ca²⁺ formado después de que el calcio haya perdido dos electrones. En cuanto al hierro, puede dar el catión ferroso Fe²⁺ si pierde dos electrones y el catión férrico Fe³⁺ si pierde tres. Estos iones metálicos se encuentran en sales o en solución, en sulfuro de plata o cloruro de litio.

En contacto con el oxígeno contenido en el aire, los metales forman óxidos. Su tiempo de reacción difiere de un metal a otro. El potasio, por ejemplo, arde en pocos segundos, mientras que el hierro forma óxido en varios meses o años. A continuación, tres ejemplos de oxidación de metales:

• 2 Ca + O₂ → 2 CaO (óxido de calcio o cal viva);
• 4 Na + O₂ → 2 Na₂O (óxido de sodio);
• 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃ (óxido de aluminio o alúmina).

Los elementos de transición como el níquel, el cobalto y el hierro se oxidan más lentamente debido a la capa de pasivación formada por su oxidación. Esta protege el interior del metal. A veces, durante décadas, ciertos metales conservan su buena conductividad eléctrica y su brillo. Esto es posible cuando forman una capa impermeable que bloquea completamente la progresión de la oxidación. Este es el caso del titanio, el magnesio, el aluminio y el acero inoxidable. En general, los óxidos metálicos son básicos. Sin embargo, pueden formarse óxidos metálicos ácidos si los metales están expuestos a estados de oxidación ultra elevados. Las reacciones del tetróxido de osmio, del heptóxido de dimanganeso y del trióxido de cromo son, por ejemplo, estrictamente ácidas. Por otra parte, otros metales como el oro, el platino y el paladio no reaccionan en ningún caso al aire libre. Esta característica les vale la denominación de “metales nobles”.

La aplicación de un revestimiento, la pintura o incluso su anodización puede impedir la corrosión de los metales. Esto hace referencia a su alteración por reacción química con un oxidante. Como esta reacción es electroquímica, se impone el uso de un metal más reductor para que la protección sea eficaz. En caso contrario, el revestimiento corre el riesgo de favorecer la corrosión, especialmente en caso de rayadura.

Las aleaciones, sobre todo las eutécticas, facilitan la fusión de los metales. El eutéctico es una mezcla de dos o más cuerpos puros que funde y solidifica a temperatura constante de manera uniforme. Como hipereutéctico, se puede citar el sistema aluminio-silicio compuesto de aproximadamente 1% de magnesio, 4% de cobre, 17% de silicio y 78% de aluminio. Tomemos también el ejemplo de la aleación estaño-plomo Sn₆₃Pb₃₇ que funde a 183 °C, mientras que los puntos de fusión respectivos de estos dos componentes son de 232 °C y 327 °C. Algunas aleaciones metálicas con punto de fusión bajo se licúan a temperatura ambiente. Este es el caso del galinstan y del eutéctico NaK. El primero está compuesto de 68% de galio, 22% de indio y 10% de estaño. Con 77% de potasio y 23% de sodio, la segunda aleación es corrosiva e inflamable al aire libre, especialmente en presencia de humedad. Su uso se limita así a aplicaciones muy particulares.

Llamadas superaleaciones, las aleaciones especiales contienen más de una decena de elementos diferentes. Están reservadas a aplicaciones de punta, en particular en la concepción de motores a reacción. Las aleaciones con memoria de forma (AMF) son también otros tipos de aleaciones reconocidas por sus propiedades inéditas entre los materiales metálicos. Como su nombre indica, tienen la capacidad de guardar en memoria una forma inicial y volver a ella, incluso después de la deformación. Cuando su temperatura gira alrededor de un valor crítico, pueden bascular entre dos formas previamente memorizadas. Finalmente, adoptan un comportamiento superelástico, es decir, pueden alargarse más que otros metales, sin deformación permanente. Entre las AMF más asequibles, encontramos las aleaciones Fe-Mn-Si (hierro-manganeso-silicio), Cu-Zn-Al (cobre-zinc-aluminio) y Cu-Al-Ni (cobre-aluminio-níquel).

Minerales

Etimológicamente, el metal viene del griego antiguo μέταλλον que significa metallon o mina, a través del latín metallu. Los metales son sustancias extraídas de una cantera en forma de minerales. Los elementos químicos que componen estos últimos pueden ser de naturaleza diversa. A menudo se encuentran los óxidos como la pechblenda (mineral de uranio), la ilmenita (mineral de titanio), la bauxita (mineral de aluminio) así como la magnetita y la hematita (mineral de hierro). También se citan los sulfatos como la molibdenita (mineral de molibdeno), la esfalerita (mineral de zinc), el cinabrio (mineral de mercurio) y la calcopirita (mineral de cobre). Estos minerales también pueden ser carbonatos como la dolomita (mineral de magnesio), silicatos como el berilo (mineral de berilio), etc.

El estado de oxidación de los metales es a menudo positivo. En otras palabras, los metales tienden naturalmente a formar cationes. Sin embargo, también existen aniones metálicos con un estado de oxidación negativo. Este es el caso de ciertos complejos carbonílicos como el anión de sodio Na^– y el Fe(CO)₅^–.

Después de la extracción desde las minas subterráneas o a cielo abierto, los minerales sufren un tratamiento para aislar el metal buscado. Los métodos más utilizados son la electrólisis y la reducción química. La primera consiste en realizar reacciones químicas gracias a una activación eléctrica. La electrólisis de la alúmina extraída de la bauxita permite, por ejemplo, producir aluminio. La electrólisis cloro-sosa también apunta a producir sosa, dicloro y dihidrógeno a partir de una salmuera. La segunda técnica también se llama reacción redox o reacción de oxido-reducción. Consiste en una reacción oxidante combinada con una reacción reductora. También se cita un tercer método: la pirometalurgia. Este proceso metalúrgico térmico utiliza altas temperaturas para convertir minerales en metales brutos. A la inversa, la hidrometalurgia es una técnica de extracción de metales que comporta una etapa donde estos son solvatados en el agua para purificarlos.

Los métodos empleados de aislamiento dependen de los metales y de sus impurezas. Si el mineral comporta un compuesto iónico del metal y un elemento no metal, generalmente debe ser fundido. Es decir, se calienta con ayuda de un reductor para extraer el metal puro. Este es el caso del hierro que se funde en presencia de carbono como reductor. Por el contrario, otros metales como el sodio y el aluminio deben ser purificados por electrólisis. En cuanto a los sulfuros, no son reducidos directamente. Primero deben ser tostados al aire libre antes de la conversión previa en óxidos, luego tratados de manera clásica.

Algunos minerales existen en forma mineral y son, por lo tanto, elementos nativos. Los más conocidos son el oro nativo, el hierro meteorítico, el cobre nativo y la plata nativa. Los más raros son el mercurio nativo, el plomo nativo, el hierro nativo, el bismuto, el indio nativo, el níquel nativo, etc. Estos minerales son sólidos, excepto el mercurio que es líquido por encima de -39 °C. Se presenta en bolsas a menudo de pequeños tamaños que no superan algunos kilogramos de metal y que están generalmente asociadas a metales nobles. Este elemento químico forma amalgamas con estos últimos (oro, plata…). Los metales del grupo del platino (MGP o platinoides) también existen en forma mineral más o menos pura. Se puede citar el platino nativo, el rutenio nativo, el paladio nativo, el osmio nativo, el rodio nativo y el iridio nativo.

Aplicaciones

Ciertos metales y aleaciones metálicas están dotados de una resistencia estructural elevada. Así, se utilizan sobre todo para resistir a choques violentos y transportar cargas pesadas. En cuanto a las aleaciones, están concebidas para resistir particularmente a las tensiones de deformación, flexión y cizallamiento. Además de esta resistencia, su resiliencia también ha permitido a los metales ser fuertemente apreciados en tubería, herramientas y construcción automóvil. La creación de obras de arte, de diversos aparatos y dispositivos, de vías férreas y de rascacielos también forma parte de su utilización corriente. Sin embargo, un metal puede sufrir el fenómeno de fatiga. Esto hace referencia a la sucesión de mecanismos que modifican las propiedades del material bajo la acción repetida de tensiones y deformaciones variables en el tiempo.

El hierro y el aluminio son los metales más abundantes en la corteza terrestre, pero el más utilizado es el primer elemento. Juega un papel importante en todas las grandes construcciones, desde los cascos de navío hasta los raíles. El aluminio es el segundo metal más empleado, ya que es menos denso (2,70 g cm⁻³ contra 7,87 g cm⁻³). Para optimizar sus propiedades mecánicas, este elemento químico se alea generalmente con otros metales. Sin embargo, es el mejor conductor eléctrico de los dos (3,50 × 10⁷ S/m contra 10⁷ S/m). Esta es también la razón por la que los profesionales prefieren el aluminio al cobre en los cables eléctricos de alta tensión aéreos. El cobre sigue siendo, no obstante, utilizado en los cables eléctricos por su buena conductividad eléctrica y en los utensilios de cocina por su buena conductividad térmica.

Algunos metales se encuentran en la base de la fabricación de disipadores térmicos destinados a evitar los sobrecalentamientos gracias a sus propiedades de conductor de calor. Los metales más raros como los platinoides son a menudo utilizados como catalizadores e inversiones financieras en joyería. Los metales menos abundantes como el titanio, el cromo y el manganeso encuentran su lugar en las aleaciones. Los metales reflectantes como la plata son materiales de primera elección en construcción de espejos, telescopios… Su reflectividad también es fuertemente apreciada en joyería, ya que da el atractivo estético de las piezas. En cuanto al uranio, este metal permite alimentar reactores nucleares. Para ello, conviene proceder a una separación isotópica, es decir, a aumentar la concentración de sus isótopos, para liberar su energía por fisión. Por último, algunos metales rara vez se emplean en estado metálico, ya que son demasiado reactivos al agua y/o al aire. Se trata principalmente del calcio, el sodio y el potasio.

Debido a su ligereza, otros materiales como los polímeros, las cerámicas y los compuestos pueden reemplazar a los metales en algunos casos. Las cerámicas también son más apreciadas por su mayor resistencia al desgaste y a la corrosión. Sin embargo, estos materiales tienen límites. A diferencia de los metales, los compuestos y los polímeros no son utilizables a alta temperatura y a menudo son más flexibles. Las cerámicas, por su parte, no tienen una buena resistencia a los choques.

El dopaje es una acción frecuente en el ámbito de los semiconductores. En este caso, esta operación consiste en añadir impurezas en pequeñas cantidades al metal puro para modificar sus propiedades conductoras. Éstas pueden ser moléculas extranjeras minerales, polímeros, biológicas u orgánicas. De esta manera, el metal será más resistente a la corrosión y podrá ser utilizado en medicina, en electroquímica y en catálisis.

Los metales tienen diferentes efectos sobre el organismo según su estado de oxidación en un sistema. Por ejemplo, el cromo hexavalente, cromo 6 o Cr(VI) es tóxico para ciertos genes. Es cancerígeno y penetra fácilmente las membranas de las células gracias a transportadores específicos. Sin embargo, el cromo(III) asegura el buen funcionamiento del organismo. Penetra difícilmente en las células. En otros casos, las formas menos oxidadas de los metales son las más tóxicas. Este es el caso del arsénico: el As(III) tiene una toxicidad más fuerte respecto al As(V).

Composición isotópica

La toxicidad y la abundancia de ciertos elementos químicos en el entorno están influenciadas por su composición isotópica. Por ejemplo, entre la veintena de isótopos del plomo, cuatro son estables (el ²⁰⁴Pb, el ²⁰⁶Pb, el ²⁰⁷Pb y el ²⁰⁸Pb). El ²⁰⁸Pb proviene de la degradación del torio mientras que los ²⁰⁶Pb y ²⁰⁷Pb son procedentes de la degradación del uranio, dos elementos radiactivos. Así, la abundancia de estos tres isótopos aumenta en el tiempo y la composición isotópica del plomo evoluciona según las fuentes de emisión estimuladas. También es interesante plantear el caso del agua, cuya toxicidad varía también según su composición isotópica. La sustitución del 60% del agua del cuerpo de un roedor por H₂¹⁸O no tiene ningún efecto. Por el contrario, el reemplazo del 30 al 40% de esta agua por D₂O causa la muerte del animal.

La clasificación de isótopos es a veces útil para enriquecer la materia y dar isótopos radiactivos. El enriquecimiento del uranio permite, por ejemplo, producir combustible nuclear. Inversamente, a veces se empobrece el metal. Llegado el caso, esto permite fabricar municiones de uranio empobrecido.

Los isótopos metálicos sirven también de trazadores en los fenómenos de difusión. En efecto, conviene elaborar un metal que comporte una importante cantidad de isótopos radiactivos y el perfil de radiactividad permite el seguimiento de la progresión de estos átomos.

Compuestos y complejos inorgánicos

Frecuentemente, la combinación de metales y ligandos inorgánicos da complejos o compuestos inorgánicos con diversas propiedades fisicoquímicas. La solubilidad, la fuerza de enlace, la carga y el coeficiente de difusión de estos compuestos influyen en el transporte de los metales en el organismo. Por consiguiente, su biodisponibilidad y su toxicidad también dependen de ello. Por ejemplo, por un lado, ciertas sales de níquel como los sulfatos (NiSO₄) y los cloruros (NiCl₂) son solubles en agua y poco tóxicas por vía oral. Por otro lado, los sulfuros de níquel (Ni3S2) son prácticamente insolubles en agua, pero son cancerígenos.

Compuestos orgánicos

Los compuestos orgánicos tales como los lípidos, los ácidos orgánicos y los azúcares tienen afinidades más o menos importantes con los metales. Algunos de ellos, principalmente los ácidos orgánicos como el ácido málico y el ácido cítrico, comportan hidroxilcarboxilo. Este último es un grupo funcional que se une fácilmente a los metales y disminuye su biodisponibilidad. Este tipo de compuesto es fuertemente estudiado en ecotoxicología terrestre ya que es evacuado por las raíces de las plantas y los microorganismos del suelo. Esto crea una sinergia que permite disminuir la toxicidad de los metales en este sistema.

Unos compuestos orgánicos particulares llamados quelantes forman complejos muy estables con los metales. Este es el caso del ácido diaminotetracarboxílico o EDTA (Etilendiaminotetraacético). Estos compuestos son ligandos solubles polidentados ligeramente ácidos que forman complejos quelante-metal termodinámicamente fuertes. A veces se utilizan para extraer los metales de una matriz o restaurar suelos y aguas contaminados por metales.

Compuestos organometálicos

Los compuestos organometálicos poseen un enlace covalente o iónico entre el metal y el carbono. Como enlaces fuertemente covalentes, se citan el carbono-estaño, el carbono-plomo y el carbono-mercurio. Como enlaces fuertemente iónicos, se encuentran el carbono-sodio y el carbono-potasio. Los enlaces carbono-magnesio y carbono-litio se encuentran entre los dos tipos de enlaces.

La bioalquilación es un proceso frecuente en los sedimentos y los suelos. Es la formación de un metal con un alquilo (CH_x) por microorganismos específicos. El enlace CH₃-metal (metilación de los metales) forma compuestos bastante tóxicos. Por el contrario, algunos alquilos metálicos de selenio y arsénico detoxifican el metabolismo humano y otros organismos vivos. Sin embargo, la mayoría de los productos organometálicos provenientes de una bioalquilación son antropogénicos, es decir, causados o generados por el hombre. También son hiper tóxicos para el sistema nervioso central de ciertos organismos. Este es el caso de los derivados de alquilos de plomo, mercurio, estaño y oro.  

Compuestos o complejos macromoleculares

Ciertamente, los complejos o los compuestos macromoleculares son similares a especies químicas, pero forman igualmente una categoría distinta. En efecto, son determinantes en términos de biodisponibilidad de los metales para los organismos vivos. Aunque los ácidos fúlvicos y húmicos tienen una composición y estructuras variables y complejas, juegan un papel importante en la especiación de los metales. Estos ácidos son aniones resultantes de la biodegradación de la materia orgánica y movilizan los ETM presentes en las aguas y los suelos.

Partículas inorgánicas y orgánicas como los coloides y la biomasa absorben los metales. Disminuyen así su toxicidad y su biodisponibilidad. Sin embargo, ciertos ácidos nucleicos y macromoléculas aniónicas de los organismos vivos como los glicosaminoglicanos se unen involuntariamente a los ETM. Crean mutagénesis nefastas para el organismo.

Parámetros que influyen en la especiación de los metales

Varios parámetros influyen en la especiación de los metales en las fases sólidas y acuosas, principalmente:

• la concentración de los ligandos: cuando la concentración del ligando orgánico o inorgánico es elevada, el metal se une a este ligando y da una especie química populosa;
• el pH: un pH alcalino favorece la absorción de los metales mientras que un pH ácido los solubiliza;
• la fuerza del enlace covalente o iónico: la especie química asociada es estable cuando el enlace metal-compuesto es fuerte;
• la materia orgánica: adsorbe los metales y favorece su estabilidad;
• la estequiometría (ley que exige que, en un sistema cerrado, la masa de los productos sea idéntica a la de los reactivos): este principio debe ser respetado para formar compuestos como es debido.

La especiación de los metales exige un verdadero equilibrio químico. Sin embargo, la complejación de estos materiales con los ligandos inorgánicos es ultra rápida debido a su importante número en la fase acuosa. La complejación con los ligandos orgánicos requiere más tiempo, ya que los sitios de fijación o de absorción son menos accesibles. De esta manera, se impone el análisis de la especiación de una contaminación metálica sobre una matriz contaminada estable desde hace varios años. Los análisis corren el riesgo de ser falseados en caso de utilización de una matriz recién contaminada con una dinámica química evolutiva. La siguiente ecuación ilustra la constante de equilibrio (estado de equilibrio de un sistema) relativa a la noción de equilibrio químico:

 Metalⁿ+ + Ligandoⁿ− → Metal-Ligando

La constante de equilibrio K_eq correspondiente a esta reacción cambia según el tipo de enlace. Está comprendida entre 10⁰ y 10⁴ aproximadamente si el enlace es iónico. Es de aproximadamente 10⁴ < K_eq < 10⁸ si el enlace es complejo y entre aproximadamente 10⁸ y 10²⁰ en caso de quelante. Hay que constatar que los metales prefieren asociarse a los complejos estables a largo plazo que a los pares iónicos de energías de enlace más débiles. Esto se traduce por la baja intensidad de K_eq para los pares iónicos y su valor más elevado para los complejos.

Economía y geopolítica

Rarefacción de los recursos

La producción y el consumo de los metales han aumentado fuertemente a raíz del desarrollo de diversas industrias. Se habla principalmente de la aeronáutica, la electrónica y las TIC (tecnologías de la información y la comunicación). La producción de los principales metales se duplicó entre 1990 y 2010. Sin embargo, menos de 20 metales reconocidos en la tabla de Mendeléyev fueron utilizados en los años setenta y aproximadamente 60 fueron consumidos en los años 2000.

La concentración media de los minerales está en una tendencia a la baja. Este es el caso de la de los minerales de cobre explotados que pasó del 1,8% en los años treinta al 0,8 en 2010. Simultáneamente, las existencias de la mayoría de los metales se encuentran entre 20 y 100 años de producción anual, según el nivel de producción de 2008.

Geopolítica

Desde hace siglos, las minas de ciertos metales (ya sean preciosos o comunes, pero fuertemente utilizados en la industria) así como las instalaciones de refinado eran de interés estratégico para los Estados. Algunos metales se volvieron más importantes que otros por razones militares. El advenimiento de las municiones metálicas, de las armas, de la energía y del arma nuclear también ha contribuido a ello. Los metales geológicamente no raros, pero que influyen en el mercado, como el cobre también se vieron afectados. El aumento de los robos de metales también generó un fuerte aumento del cobre. En Francia, el RFF y la SNCF sufrieron 2.100 robos de cobre en 2010 (cifras cuatro veces más que el año anterior). Ese año, la SNCF sufrió disfuncionamientos y decenas de millones de euros de daños.

Metales anteriormente sin valor conocieron un fuerte aumento de su consumo en el siglo XX. Este es el caso del uranio que es fuertemente buscado para usos civiles y militares. Los metales del grupo del platino han sido esencialmente empleados como catalizadores industriales, en quimioterapia anticancerosa y para los catalizadores de escape. Aunque el reciclaje de una parte de los metales llegados al final de su vida útil o en caída de producción permite realizar economías, la noción de metales estratégicos reina todavía. Así, el Comité para los metales estratégicos fue creado en 2011, en Francia. Ayuda al ministerio a crear y a implementar una nueva política de gestión de estos materiales a través de aprovisionamientos más seguros. Este comité comprende tres colegios presididos por el ministro encargado de las Materias primas. Se citan el colegio de las administraciones, el de los organismos técnicos y el de las federaciones profesionales e industriales. La FEDEM (federación de los minerales, minerales industriales y metales no ferrosos) y la FEDEREC (federación de las empresas del reciclaje) participan en él.

Medioambiente

Los metales son materiales no biodegradables por los microorganismos, a diferencia de los compuestos orgánicos. Esta característica hace más difícil la gestión de la contaminación metálica, ya que la presencia de los metales en el medio ambiente crea desafíos analíticos importantes. Como los metales se presentan bajo varias formas en el agua y en el suelo, esto complica las predicciones de ecotoxicidad y toxicidad. Estos materiales pueden efectivamente ser iones libres, complejos, precipitaciones…

Toxicidad y ecotoxicidad terrestre

Estos dos indicadores están estrechamente ligados a la especiación química, a la biodisponibilidad y a las características propias de los metales. En cuanto a este último punto, se habla de su eventual radioactividad, del tipo de radioactividad, de su toxicidad química, etc. Cuanto más móvil y libre es una especie metálica, más biodisponible es. De este modo, el riesgo de toxicidad sobre los organismos vivos es más elevado. De manera general, los metales en forma de iones metálicos libres son los más disponibles para el organismo y por lo tanto los más susceptibles de ser tóxicos. Sin embargo, otras especies y fracciones de metales como la fracción lábil pueden ser inestables y móviles. Esto engendra un riesgo para el organismo.

Algunos metales, entre los que se encuentran el zinc, el cobre y el hierro, son elementos esenciales. Su carencia conlleva trastornos metabólicos graves aunque sean tóxicos más allá de cierta dosis.

Varios parámetros influyen en la toxicidad de los metales en los suelos, principalmente:

• el nivel de saturación de los sitios de adsorción: cuanto más se aproxima el nivel de saturación, más tiende el metal a volverse biodisponible o a solubilizarse;
• la composición del suelo: la materia orgánica y las arcillas adsorben los contaminantes y los guardan en forma de complejos estables (poco móviles), mientras que las partículas más gruesas como la grava o la arena retienen menos los metales del suelo;
• el pH: un pH ácido solubiliza generalmente los metales normalmente inmóviles y aumenta por lo tanto el riesgo de toxicidad;
• la duración de una contaminación crónica o el tiempo pasado después de una contaminación aguda: un sitio recién contaminado no es más tóxico que un sitio que ha sufrido una contaminación extendida, pero desplegada durante varios años.

Huella energética

Varias etapas deben respetarse y muchos equipos que consumen energía son indispensables para transformar el metal extraído de una mina en un objeto moldeado. En efecto, la ruptura de los enlaces químicos correspondientes requiere energía para transformar los metales a menudo en forma de óxidos o sulfuros en materiales metálicos. La huella energética de un metal corresponde pues a la cantidad de esta energía necesaria para obtener metal puro.

Con vistas a obtener la energía contenida en un metal “nuevo”, conviene tener en cuenta la energía de extracción del mineral. También hay que considerar la energía de los tratamientos premetalúrgicos, la de la primera transformación y la de la metalurgia de elaboración. No hay que olvidar la energía del transporte eventual entre las diversas etapas. En la siguiente tabla, la cantidad de energía necesaria para estos metales se mide en tep (tonelada equivalente de petróleo) para una tonelada de metal puro.

(*) Fuente en MJ/kg con 1 MJ = 2,38 × 10⁻⁵ tep

(**) Fuente en tec (tonelada equivalente de carbono). La conversión utilizada es: 1 tec = 1,3 tep (valor medio europeo).

(***) Energía inyectada en los procesos solamente: excluyendo energía de extracción, de los insumos (disolventes, ácidos…), de transporte.

Así, el consumo energético total requerido para producir metales brutos es de 730 a 1.070 Mtep. Este valor es el equivalente del 7 al 10% de la energía primaria mundial. El acero y el aluminio requieren la mayor parte con respectivamente 544-680 Mtep y 147-288 Mtep.

Los grandes metales son generalmente reciclables y la energía requerida para esta operación es menos importante que la necesaria para la producción del metal nuevo. Por ejemplo, la energía necesaria para el reciclaje del aluminio representa únicamente del 4 al 5% de la energía requerida para la fabricación del aluminio primario. Este es también el caso del acero: la energía necesaria para su reciclaje representa del 25 al 45% de la energía requerida para la producción del metal primario.

Astronomía

Planetología

En este ámbito, los metales son los materiales más pesados que componen el núcleo de los planetas rocosos. Se habla principalmente del hierro y del níquel. Después de ellos vienen los gases (helio, hidrógeno), los hielos (compuestos que comportan nitrógeno, oxígeno y carbono tales como el amoníaco, el agua y el metano) y las rocas (silicatos).

Cosmología

En este ámbito, los metales designan todos los elementos excepto el helio y el hidrógeno. Por consiguiente, su contenido se llama la metalicidad que se nota Z. Y y X representan respectivamente la proporción de helio e hidrógeno.