Los m., en la más amplia acepción de la palabra, es decir, elementos metálicos y aleaciones (v.), constituyen, entre los materiales, un grupo bien diferenciado por sus peculiares propiedades. Precisamente por ellas fueron incorporados relativamente pronto a la cultura, en forma de adornos, armas, etc. Primero lo fueron los hallados en estado nativo (oro, plata, mercurio), después los de más fácil metalurgia (cobre, bronce; v. METALES, EDAD DE LOS)

      De los 105 elementos químicos (v.) conocidos, aprox. 80 son m., aunque hasta hace unos 200 años, la Humanidad se desenvolvió con sólo diez (elementos y aleaciones): oro, plata, cobre, mercurio, estaño, plomo, hierro, cinc, bronce y latón. El hierro colado (fundición) transformó la ingeniería del s. XVIII; el acero, la del XIX; el aluminio, la de la primera mitad del XX; y las superaleaciones y los elementos que se fisionan en los reactores nucleares (también m.) están contribuyendo decisivamente a preparar el futuro.

      Estructura. Las propiedades que justifican la extensa aplicación y gran desarrollo de estos materiales encuentran su explicación en su configuración electrónica y en su estructura, que puede discutirse a distintos niveles: a simple vista, algunos objetos metálicos revelan ya unos contornos, llamados granos por los primeros observadores, que ofrecen distinto brillo según se oriente la luz incidente (macroestructura). Cuando H. C. Sorby (1826-1908) introdujo, hace apenas cien años, la técnica del examen microscópico de los m. (V. METALOGRAFÍA), encontró ya, observando superficies metálicas debidamente preparadas, que también presentan una estructura análoga de granos poliédricos (microestructura); pero tuvieron que descubrirse los rayos X (W. K. Róntgen, 1895) para que se resolviera la incógnita de la disposición de los átomos en esos granos que, con la técnica iniciada por P. Debye y Scherrer (1916), se identificaron como cristales. Así quedó establecido que un m. es un agregado de macro o microcristales, normalmente orientados al azar, unidos y separados a la vez por unas superficies de contacto llamadas límites de grano. El cristal representa una disposición atómica perfectamente ordenada, una red en tres dimensiones, formada por repetición de unas celdillas elementales cuyos parámetros definen el sistema cristalino de que se trate (V. CRISTALOGRAFÍA).

      Hay que profundizar aún más y alcanzar la íntima Iestructura del átomo (v.) para poder explicar las propiedades químicas de los elementos metálicos; p. ej., el que formen los iones positivos de las sales (v.), que sus óxidos sean generalmente básicos, v que actúen únicamente comoreductores (v. OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN). Sus átomos poseen configuraciones electrónicas tales que pueden perder con relativa facilidad electrones, los llamados electrones de valencia (v.); de aquí sus relativamente bajas energías de ionización (v.). Como éstas aumentan de izquierda a derecha en los periodos y de abajo hacia arriba en los grupos del Sistema periódico, el carácter metálico se acentúa al ir de derecha a izquierda y de arriba hacia abajo en el mismo (v. ELEMENTOS QUÍMICOS I). Así, sólo el último elemento del grupo VI B (Po) es m., pero en el V B lo son ya los dos últimos (Sb y Bi), y en el IV B los tres últimos (Ge, Sn y Pb), mientras que sólo el primer elemento del III B es no m. (B), siendo los cuatro restantes (Al, Ga, In y TI) todos m.

      Los m. cristalizan, en general, en sistemas simples: cúbico centrado en las caras (Cu, Ag, Au, Al), cúbico centrado en el cuerpo (Na, Cr, Me, W) y hexagonal (Be, Mg, Zn, Cd).

      Los átomos de los m., aunque ordenados según la distribución regular que supone un cristal, presentan un tipo de enlace peculiar, enlace metálico (v. ENLACES QUÍMICOS), que es precisamente el que confiere al llamado estado metálico sus singulares propiedades. El enlace entre los átomos que ocupan los nudos de la red cristalina a que pertenecen se hace, en los m., a través de sus electrones de valencia que, en estos sólidos cristalinos, no quedan asignados de forma permanente a un átomo concreto, como en los sólidos iónicos, sino que pertenecen al cristal como un todo, moviéndose libremente a través del mismo. Un m. debe, pues, ser considerado como sólido policristalino constituido por la disposición ordenada, regular, de iones cargados positivamente, entre los cuales se mueven los electrones de valencia en todas las direcciones y a grandes velocidades, lo cual equivale a una nube de electricidad negativa, de densidad de carga más o menos uniforme, que separa entre sí los iones positivos que ocupan los puntos fijos de la red.

      Sommerfeld interpretó este estado metálico en su teoría del electrón libre suponiendo: 1° que la energía potencial del electrón es menor dentro del m. que fuera de él, por lo que no sale espontáneamente de la masa metálica (hay que aplicar cierta energía para que se desprenda un electrón de un cristal metálico); y 2° que el potencial de un electrón dentro de un m. es constante, lo cual fue una primera aproximación necesaria y suficiente, pero no es rigurosamente cierto, porque de hecho el electrón se mueve en el cristal metálico en un espacio de potenciales muy complicado, no sólo por la presencia de otros electrones, sino de los iones positivos regularmente distribuidos en la red. Precisamente, el desarrollo de este segundo supuesto condujo a cuantizar esos potenciales de energía en un número finito de niveles y a distribuir estos niveles cuantizados, dentro del cristal, en grupos de niveles llamados zonas (Brillouin) separadas energéticamente entre sí por una discontinuidad, por un salto de energía.

      Gracias a estas teorías se explican las diferencias estructurales entre los m. y los aisladores, por lo que respecta a la conductividad eléctrica en los sólidos. Si el salto o diferencia de energías entre dos zonas consecutivas es grande, y todos los niveles de la primera zona están completos, una misma diferencia de potencial eléctrico no es suficiente para hacer saltar electrones a través de la amplia discontinuidad energética hasta la segunda zona y, si no se puede cambiar el estado energético de los electrones, no es posible modificar su velocidad media y, por tanto, no habrá corriente eléctrica; se trata de un aislador. Por el contrario, cuando una zona está sólo parcialmente llena, el sólido es un m. buen conductor porque, bajo una pequeña diferencia de potencial eléctrico, pueden acelerarse los electrones a niveles de energía más elevados, vacantes incluso en la misma zona. Estos sólidos también conducirán si las zonas adyacentes se solapan en parte. Entre estos dos tipos de sólidos, conductores y aisladores, se sitúan los semiconductores (v.), que presentan a este respecto características intermedias, aun tratándose en muchos casos de m. (Ge, Sn).

      Sólo la teoría electrónica y la mecánica ondulatoria han aclarado las notables diferencias y analogías entre los m. y los sólidos covalentes, explicando, entre otras, las propiedades magnéticas, la conductividad, la cohesión, etc., y han permitido el desarrollo de la moderna tecnología de los semiconductores, rectificadores y transistores.

      Propiedades. Los m. tienen mayor variedad de propiedades, tanto físicas como químicas, que ningún otro material y dentro de un amplio margen de temperaturas. Los elementos químicos simples metálicos, sin alear, poseen ya esta variedad de propiedades, según se recoge en la siguiente tabla (v. ELASTICIDAD):Algo análogo ocurre en cuanto a su reactividad química (V. METALURGIA; CORROSIÓN).

      A la naturaleza del m. o aleación, al sistema en que cristaliza y al tamaño de los cristales o granos, está asociada, entre otras, propiedad tan importante como es la plasticidad, es decir, la capacidad para deformarse sin romperse, que fue durante muchos siglos su propiedad más notable y más útil, aunque sólo recientemente haya empezado a comprenderse. El tipo de cristal perfecto, en el que todos los átomos son idénticos y cada uno ocupa su sitio, es una abstracción y, si existiera, tendría unas propiedades físicas muy distintas de las del cristal real. P. ej., un cristal metálico real se deforma bajo esfuerzos que representan entre 1/l.000 y 1/10.000 de su resistencia teórica, calculada a partir de las fuerzas de cohesión entre sus átomos. Los cristales reales se apartan de la condición ideal, en primer lugar, porque no encontrándose en el cero absoluto de temperatura, los átomos no están en las posiciones ideales de la red, que representan de hecho puntos alrededor de los cuales los átomos vibran, aumentando su amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Existen, además, sitios vacantes en la red, donde falta el átomo correspondiente; defecto reticular éste que, aunque termodinámicamente estable, tiene decisiva influencia en el fenómeno de difusión (v.), y cuya concentración aumenta con la temperatura, hasta afectar a uno de cada 500 átomos cuando se está cerca del punto de fusión.

      Pero el defecto que explica la deformación plástica, y que recibe el nombre de dislocación, fue postulado por Taylor, Orowan y Polanyi en 1934, y observado al microscopio electrónico, hace apenas unos 12 años. Para que un m. se deforme (cambie de forma) sin romperse, y sin perder su naturaleza cristalina, es preciso que, bajo el esfuerzo a que se someta, haya en los cristales que lo constituyen unas partes que se desplacen con respecto a las otras, deslizándose sobre ciertos planos cristalográficos. Pues bien, las dislocaciones (las hay de varios tipos) representan un desajuste lineal en un cristal, que separa dos partes del mismo: una que se ha deslizado y otra que no. Cuando sobre el plano de deslizamiento actúa un esfuerzo cortante, la línea que marca el defecto se desplaza a lo largo del plano, para lo cual no se requiere que todos los átomos que definen ese plano salten a la nueva posición respectiva bajo el mismo esfuerzo, es decir, simultáneamente, sino que, debido a estos defectos (dislocaciones), lo pueden hacer sucesivamente y según la línea que en cada momento define la dislocación.

      Las propiedades mecánicas de los m., que determinan la capacidad de soportar, trasmitir o resistir esfuerzos siñ deformarse o romperse, pueden mejorarse por deformación previa o por tratamientos térmicos, recuperando su estado original por recocido. Los aceros (v.) (aleaciones de Fe y C) abarcan desde el llamado hierro dulce, blando, al de las herramientas de corte, muy duro. La mayor parte de los m. y aleaciones tienen elevado módulo elástico y pequeño coeficiente de dilatación térmica; se ablandan a temperatura elevada, lo cual permite trabajarlos en caliente (forja, estampación) para reducir el esfuerzo necesario y aprovechar al máximo su deformación.

      Aunque, cuando bien elegidos, resisten a la mayor parte de los agentes corrosivos, todos tienen especial sensibilidad para algunos de éstos. Excepto los m. nobles (v. II), todos se encuentran en su estado metálico en forma metaestable, con mayor contenido de energía libre que en la forma oxidada de la que se les extrajo, y a la que espontáneamente tienden, dando lugar al fenómeno de la corrosión, que supone grandes pérdidas. A los m. y aleaciones se les puede dar también forma por moldeo (aprox. el 20% de los productos metálicos han recibido así su forma), y pueden unirse por soldadura (v.).

      Las buenas conductividades, tanto térmica como eléctrica, son características casi exclusivas de los m., pero sus valores relativos varían entre amplios límites (de 1 a 20).

     

      V. t.: METALURGIA; ALEACIONES; MÁTERIA II; y las voces correspondientes a cada metal