Metales nobles

Un metal noble se considera comúnmente como 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 (eventualmente) 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.

• La calcopirita, que es sulfuro de cobre y hierro (CuFeS ₂), es el mineral de cobre más abundante
• La mitad de una barra de rutenio.Tamaño ~ 40 × 15 × 10 mmPeso ~44 g
• Rodio: 1 g de polvo, 1 g de cilindro prensado, 1 g de gránulos.
• Paladio
• La acanthita, o sulfuro de plata (Ag ₂ S), es el mineral de plata más importante
• Cristales de osmio, 2,2 g
• Trozos de iridio puro, 1 g, tamaño: 1–3 mm cada uno
• Cristales de platino puro
• Pepita de oro de Australia, casi 9.000 g o 64 oz
• El cinabrio o sulfuro de mercurio (HgS) es el mineral de origen más común para refinar el mercurio elemental.

Propiedades

Geoquímico

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 cuando está 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 "agua regia" orgánica en forma de una mezcla de cloruro de tionilo SOCl ₂ y el solvente orgánico piridina C ₅ H ₅ N lograba "altas tasas de disolución de metales nobles en condiciones suaves, con el beneficio adicional de ser sintonizable con un metal específico", por ejemplo, oro pero no paladio o platino.

Electrónico

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

Electroquímico

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 "un importante impulsor de la nobleza y reactividad del metal".

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: 2Ag + H ₂ S +1/2O ₂ → Ag ₂ S + H ₂ O. Rayner-Canham sostiene que "la plata es mucho más químicamente reactiva y tiene una química tan diferente que no debe considerarse como 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) existe una fase acuosa con electrolito, y (3) uno de los dos metales tiene... un potencial menor que el potencial de la reacción (H₂O + 4e + O₂= 4 OH) que es 0.4 V... El... metal con... un potencial menor 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 cátodo y, bajo muchas condiciones, la reacción en este electrodo es generalmente H₂O - 4 mi - O₂= 4OH)."

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

Smith, escribiendo en 1946, continuó el tema:"No existe una línea divisoria clara [entre 'metales nobles' y 'metales base'] pero quizás la mejor definición de un metal noble es un metal cuyo óxido se descompone fácilmente a una temperatura por debajo del calor rojo"."De esto se deduce que los metales nobles... tienen poca atracción por el oxígeno y, en consecuencia, no se oxidan ni se decoloran 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 débilmente polar 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.