Metal noble

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Extracto de tabla periódica que muestra aproximadamente cuán a menudo cada elemento tiende a ser reconocido como un metal noble:

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7 más a menudo (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au) 1 a menudo (Ag) 2 a veces (Cu, Hg) 6 en un sentido limitado (Tc, Re, As, Sb, Bi, Po)

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La gruesa línea negra encierra los siete a ocho metales con más frecuencia a menudo tan reconocidos. La plata a veces no se reconoce como un metal noble debido a su mayor reactividad.

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* puede ser empañado en aire húmedo o corroe en una solución ácida que contenga oxígeno y oxidante
† attacked by sulfur or hidrógeno sulfide
autoatacado por el ozono generado por la radiación

Un metal noble normalmente se considera un elemento químico metálico que generalmente es resistente a la corrosión y generalmente se encuentra en la naturaleza en su forma cruda. El oro, el platino y los demás metales del grupo del platino (rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio) suelen clasificarse así. La plata, el cobre y el mercurio se incluyen a veces como metales nobles, aunque con menos frecuencia, ya que cada uno de ellos suele encontrarse en la naturaleza combinado con azufre.

En campos de estudio y aplicaciones más especializados, el número de elementos contados como metales nobles puede ser menor o mayor. En física, solo hay tres metales nobles: cobre, plata y oro. En odontología, la plata no siempre se considera un metal noble, ya que está sujeta a la corrosión cuando está presente en la boca. En química, el término metal noble a veces se aplica de manera más amplia a cualquier elemento metálico o semimetálico que no reacciona con un ácido débil y emite hidrógeno gaseoso en el proceso. Este conjunto más amplio incluye cobre, mercurio, tecnecio, renio, arsénico, antimonio, bismuto y polonio, así como oro, los seis metales del grupo del platino y plata.

Significado e historia

Si bien las listas de metales nobles pueden diferir, tienden a agruparse en torno a los seis metales del grupo del platino (rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio, platino) más el oro.

Además de la función de este término como sustantivo compuesto, existen circunstancias en las que noble se usa como adjetivo para el sustantivo metal. Una serie galvánica es una jerarquía de metales (u otros materiales eléctricamente conductores, incluidos compuestos y semimetales) que va de noble a activo y permite predecir cómo interactuarán los materiales en el entorno utilizado para generar la serie. En este sentido de la palabra, el grafito es más noble que la plata y la relativa nobleza de muchos materiales depende en gran medida del contexto, como el aluminio y el acero inoxidable en condiciones de pH variable.

El término metal noble se remonta al menos a finales del siglo XIV y tiene significados ligeramente diferentes en diferentes campos de estudio y aplicación.

Antes de la publicación de Mendeleev en 1869 de la primera tabla periódica (finalmente) ampliamente aceptada, Odling publicó una tabla en 1864, en la que los "metales nobles" rodio, rutenio, paladio; y el platino, el iridio y el osmio estaban agrupados juntos y adyacentes a la plata y el oro.

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  Chalcopyrite, que es sulfuro de hierro de cobre (CuFeS₂), es el mineral de mineral de cobre más abundante
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  Una mitad de una barra de rutenio.
  Tamaño ~ 40 × 15 × 10 mm
  Peso ~44 g

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  Rhodium: 1 g de polvo, 1g de cilindro prensado, 1 g de pellets.
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  Palladium
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  Acantita o sulfuro de plata (Ag₂S), es el mineral de plata más importante
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  Cristales de osmio, 2.2 g
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  Cantidades de iridio puro, 1 g, tamaño: 1-3 mm cada uno
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  Cristales de platino puro
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  Nugget de oro de Australia, casi 9.000 g o 317 oz
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  Cinnabar o sulfuro de mercurio (HgS) es el mineral de fuente más común para refinar el mercurio elemental

Propiedades

Abundancia de los elementos químicos en la corteza terrestre como función del número atómico. Los elementos más raros (que se muestran en amarillo, incluyendo los metales nobles) no son los más pesados, sino que son más bien los elementos siderófilos (ador de hierro) en la clasificación de elementos Goldschmidt. Estos han sido agotados por ser reubicados más profundamente en el núcleo de la Tierra. Su abundancia en materiales meteoroides es relativamente mayor. El Tellurium y el selenio han sido agotados de la corteza debido a la formación de hidratos volátiles.

Geoquímica

Los metales nobles son siderófilos (amantes del hierro). Tienden a hundirse en el núcleo de la Tierra porque se disuelven fácilmente en hierro, ya sea como soluciones sólidas o en estado fundido. La mayoría de los elementos siderófilos prácticamente no tienen afinidad alguna por el oxígeno: de hecho, los óxidos de oro son termodinámicamente inestables con respecto a los elementos.

El cobre, la plata, el oro y los seis metales del grupo del platino son los únicos metales nativos que se encuentran naturalmente en cantidades relativamente grandes.

Resistencia a la corrosión

El cobre se disuelve con ácido nítrico y cianuro de potasio acuoso.

El rutenio se puede disolver en agua regia, una mezcla altamente concentrada de ácido clorhídrico y ácido nítrico, solo en presencia de oxígeno, mientras que el rodio debe estar en una forma finamente pulverizada. El paladio y la plata son solubles en ácido nítrico, y la solubilidad de la plata está limitada por la formación de precipitado de cloruro de plata.

El renio reacciona con los ácidos oxidantes y el peróxido de hidrógeno, y se dice que se empaña con el aire húmedo. El osmio y el iridio son químicamente inertes en condiciones ambientales. El platino y el oro se pueden disolver en agua regia. El mercurio reacciona con ácidos oxidantes.

En 2010, investigadores estadounidenses descubrieron que un "aqua regia" en forma de una mezcla de cloruro de tionilo SOCl₂ y el disolvente orgánico piridina C₅H₅N logró altas tasas de disolución de metales nobles en condiciones moderadas, con la ventaja añadida de ser sintonizable a un metal específico" por ejemplo, oro pero no paladio o platino.

Electrónica

En física, la expresión "metal noble" a veces se limita al cobre, la plata y el oro, ya que sus subcapas d completas contribuyen al carácter noble que tienen. En contraste, los otros metales nobles, especialmente los metales del grupo del platino, tienen aplicaciones catalíticas notables, que surgen de sus subcapas d parcialmente llenas. Este es el caso del paladio que tiene una subcapa d completa en el estado atómico pero en forma condensada tiene una banda sp parcialmente llena a expensas de la ocupación de la banda d.

La diferencia en la reactividad se puede ver durante la preparación de superficies metálicas limpias en un vacío ultraalto: superficies de "físicamente definidas" los metales nobles (por ejemplo, el oro) son fáciles de limpiar y se mantienen limpios durante mucho tiempo, mientras que los de platino o paladio, por ejemplo, se cubren de monóxido de carbono muy rápidamente.

Electroquímica

Los potenciales de reducción estándar en solución acuosa también son una forma útil de predecir la química no acuosa de los metales involucrados. Por lo tanto, los metales con altos potenciales negativos, como el sodio o el potasio, se encenderán en el aire y formarán los óxidos respectivos. Estos incendios no se pueden extinguir con agua, que también reacciona con los metales involucrados para dar hidrógeno, que en sí mismo es explosivo. Los metales nobles, por el contrario, son reacios a reaccionar con el oxígeno y, por esa razón (así como por su escasez) han sido valorados durante milenios y utilizados en joyería y monedas.

La tabla adyacente enumera el potencial de reducción estándar en voltios; electronegatividad (Pauling revisado); y valores de afinidad electrónica (kJ/mol), para algunos metales y metaloides.

Las entradas simplificadas en la columna de reacción se pueden leer en detalle en los diagramas de Pourbaix del elemento considerado en el agua. Los metales nobles tienen grandes potenciales positivos; los elementos que no están en esta tabla tienen un potencial estándar negativo o no son metales.

Se incluye la electronegatividad, ya que se considera que es "un importante impulsor de la nobleza y la reactividad de los metales".

Debido a sus altos valores de afinidad electrónica, la incorporación de un metal noble en el proceso de fotólisis electroquímica, como el platino y el oro, entre otros, puede aumentar la fotoactividad.

El arsénico y el antimonio generalmente se consideran metaloides en lugar de metales nobles. Sin embargo, físicamente hablando, sus alótropos más estables son metálicos. Se han excluido los semiconductores, como el selenio y el telurio.

El deslustre negro que se ve comúnmente en la plata surge de su sensibilidad al sulfuro de hidrógeno:

2 Ag + H₂S + 1/2O₂ → Ag₂S + H₂O.

Rayner-Canham sostiene que "la plata es mucho más químicamente reactiva y tiene una química tan diferente que no debe considerarse un 'metal noble'." En odontología, la plata no se considera un metal noble debido a su tendencia a corroerse en el medio bucal.

La relevancia de la entrada para el agua es abordada por Li et al. en el contexto de la corrosión galvánica. Tal proceso solo ocurrirá cuando:

"(1) dos metales que tienen diferentes potenciales electroquímicos están... conectados, (2) una fase acuosa con electrolito existe, y (3) uno de los dos metales tiene... potencial inferior al potencial de la reacción (H
₂O + 4e +O
₂ 4 OH^•) que es 0.4 V...El...metal con...un potencial inferior a 0.4 V actúa como un ánodo... pierde electrones... y se disuelve en el medio acuoso. El metal noble (con mayor potencial electroquímico) actúa como una cátodo y, en muchas condiciones, la reacción en este electrodo es generalmente H
₂O − 4 e^• − O
₂ 4 OH^•)."

Se espera que los elementos superpesados desde el hassio (elemento 108) hasta el livermorio (116) inclusive sean "metales parcialmente muy nobles"; Las investigaciones químicas del hassio han establecido que se comporta como su congénere más ligero, el osmio, y las investigaciones preliminares del nihonio y el flerovio han sugerido, pero no establecido definitivamente, un comportamiento noble. El comportamiento de Copernicium parece parecerse en parte tanto a su congénere más ligero, el mercurio, como al gas noble radón.

Óxidos

Ya en 1890, Hiorns observó lo siguiente:

"Noble Metals. Oro, platino, plata y algunos metales raros. Los miembros de esta clase tienen poca o ninguna tendencia a unirse con oxígeno en el estado libre, y cuando se coloca en el agua a un calor rojo no alteran su composición. Los óxidos se descomponen fácilmente por calor en consecuencia de la afinidad débil entre el metal y el oxígeno".

Smith, escribiendo en 1946, continuó con el tema:

"No hay una línea divisoria afilada [entre metales nobles y metales de base] pero tal vez la mejor definición de un metal noble es un metal cuyo óxido se descompone fácilmente a una temperatura bajo un calor rojo."

"Se deriva de esto que los metales nobles tienen poca atracción por el oxígeno y por lo tanto no están oxidados o decolorados a temperaturas moderadas."

Tal nobleza se asocia principalmente con los valores de electronegatividad relativamente altos de los metales nobles, lo que da como resultado un enlace covalente con polaridad débil con el oxígeno. La tabla enumera los puntos de fusión de los óxidos de los metales nobles y, para algunos de los metales no nobles, de los elementos en sus estados de oxidación más estables.

Propiedades catalíticas

Muchos de los metales nobles pueden actuar como catalizadores. Por ejemplo, el platino se utiliza en convertidores catalíticos, dispositivos que convierten los gases tóxicos producidos en los motores de los automóviles, como los óxidos de nitrógeno, en sustancias no contaminantes.

El oro tiene muchas aplicaciones industriales; se utiliza como catalizador en la hidrogenación y la reacción de cambio de gas de agua.