Entre metales, parte III



Esto de ponerme a escribir sobre metales me ha hecho descubrir que la química no ha establecido con tanta precisión como uno esperaría determinadas características físicas de algunos metales puros. Según me comenta Theodore Gray, representante de periodictable.com, esto se debe a dos razones muy naturales:

1) Es muy dificil obtener muestras de metales con suficiente pureza (99.999...? %) como para obtener una precisión elevada inequívoca en cuanto a algunas de sus propiedades.

2) Las aleaciones (mezcla sólida de dos o más metales, o de uno o más metales con otros elementos) suelen tener propiedades muy superiores a las de cualquier metal puro. De modo que establecer con precisión qué aleación es mejor que otra para determinada aplicación sí es de mucho interés para la industria, pero no mucha gente está interesada en el valor exacto de algunas propiedades de los metales puros, al menos no en un alto grado de precisión.

Por lo anterior es que uno se encuentra en Internet inconsistencias como, por ejemplo, que el aluminio es quizá el elemento más maleable después del oro, o quizá es el paladio, o quizá la plata. Por suerte, al menos todos coinciden en decir que el más maleable es el oro. Algunos lugares indican que el osmio es el elemento más denso, otros dicen que es el iridio; por suerte siempre aparecen ellos dos como los más densos de todos, claramente por encima del tercero más denso que es el platino.

Manteniendo presente esas inconsistencias, sigamos con nuestras preguntas de trivia sobre metales.

¿Cuál metal es más denso, el oro o el tungsteno?
Respuesta: depende de a quién se le pregunte. En sueco, la palabra tung significa "pesado", y la palabra sten significa "piedra". De allí viene el nombre del tungsteno: "piedra pesada". El tungsteno es muy denso, pero solo vamos a decir que es aproximadamante tan denso como el oro, porque algunas fuentes indican que es un poco más denso que el oro, otras que es un poco menos denso. En todo caso, ambos están por encima del uranio, y muy cerca de los 19.3 kilogramos por litro.

¿Cuál es el metal puro con temperatura de fusión más elevada?
Respuesta: aquí sí que no hay inconsistencia, es el tungsteno, que requiere unos 3410 ºC (algunos lugares dicen 3422 ºC) para fundirse. De hecho, después del carbono, que tiene una temperatura de sublimación de más de 3600 ºC, el tungsteno es el elemento de mayor temperatura de fusión. Ejemplificando el comentario del comienzo, sobre aleaciones superando los metales puros, una aleación de tungsteno con apenas 2% de torio (un metal radiactivo) soporta antes de fundirse temperaturas bastante más altas que el tungsteno puro o que el torio puro: cerca de los 4000 ºC.

El tungsteno es comúnmente conocido por ser el material del cual están hechos los filamentos de las lámparas incandescentes; se usa allí precísamente por su alta temperatura de fusión. Pero en nuestras casas y vidas cotidianas nos encontramos tungsteno en varios otros lugares: resistencias de hornos eléctricos, contactos eléctricos para distribuidores y bujías de automóviles, ánodos para tubos de rayos X y de televisión, etc.

¿Cuál es el supermán de los metales, el metal más fuerte de todos?
Respuesta: el tungsteno otra vez, y aquí tampoco hay inconsistencia. El hilo de metal puro que soportaría más peso antes de romperse sería un hilo de tungsteno. Por fuerza nos referimos a resistencia a la tracción, no resistencia a los impactos o a la deformación (dureza Brinell, dureza Vickers) ni resistencia al rayado (Mohs).

Recordemos que el metal de mayor dureza Brinell es también el más denso de todos: el osmio. El tungsteno es, sin embargo, el segundo metal puro más duro en la escala de Brinell después del osmio. Pero en otra escala de resistencia a la deformación ante los impactos, la llamada "dureza Vickers", el tungsteno queda como el metal más duro de todos. Así que el tungsteno es el metal más fuerte, y también de los más duros. Por ello se utiliza en aleaciones especiales de alta resistencia para fabricar herramientas, piezas de construcción, armamento y aeronaves. Al igual que el osmio, también se utiliza tungsteno en la fabricación de buenas puntas de bolígrafos.

Y otro ejemplo sobre las aleaciones superando los metales puros: el carburo de tungsteno, un compuesto cerámico formado por tungsteno y carbono. En alemán se le denomina Widia, por Wie Diamant: "como el diamante". Bajo tratamientos especiales de compactación y endurecimiento (sinterización), el polvo de carburo de tungsteno se convierte en uno de los materiales más duros conocidos después del diamante, y se utiliza por ello en herramientas de corte, perforación, y abrasión, sobre todo para trabajar materiales y metales muy duros, como los aceros reforzados. Esta aplicación práctica representa más del 60% de la demanda mundial de tungsteno.

A diferencia de muchos metales puros, el carburo de tungsteno mantiene su dureza a muy elevadas temperaturas, por ello también se utiliza para cojinetes (rolineras) y piezas mecánicas en general que requieren elevada resistencia no solo mecánica sino también térmica. Por su alta durabilidad, en los últimos años también se ha comenzado a utilizar carburo de tungsteno en la fabricación de joyas: relojes, brazaletes y anillos, como el de la foto que encabeza esta entrada.

¿Cuál es el símbolo químico del Tungsteno?
Respuesta: la letra "W", por la inicial del otro nombre común del tungsteno: "wolframio", palabra que viene del alemán, wolf + rahm, que puede significar "baba de lobo", o también "poco valor". Lo primero viene de cómo algunos mineros alemanes describían el aspecto de ciertos minerales de tungsteno en las minas; lo segundo, "poco valor", resulta hoy en día paradójico. Si bien no es tan costoso (según el London Metal Exchance, una tonelada de tungsteno cuesta unos $20.000, es decir, $20 el kilo), el tungsteno es un metal relativamente escaso en la corteza terrestre, y se considera material "estratégico", de los más codiciados en el mundo desde la Segunda Guerra Mundial. Los Estados Unidos incluyen al carburo de tungsteno entre los materiales de categoría vital, junto a otros materiales y productos como el mismo petróleo.

Referencias:
Elementos ordenados por temperatura de fusión.

Entre metales, parte II

Me parece recordar haber visto a alguien diciendo en un programa en NatGeo que el titanio era el metal más abundante en la corteza terrestre. Verifiqué, y resulta que eso es incorrecto. El titanio está entre los metales más abundantes, cierto, pero no es el más abundante. (No descarto que a lo mejor yo haya escuchado mal en aquel programa).

Viene al caso, entonces, la pregunta:

¿Cuál es el metal más abundante en la corteza terrestre?
Ojo, no es el hierro. Nótese que estamos hablando de metales *en la corteza terrestre*, es decir, solo en la "cáscara", no en toda la Tierra. El metal más abundante en la corteza resulta ser el aluminio. Después del aluminio están: 2) el hierro, 3) el magnesio, 4) el titanio, y 5) el manganeso. El titanio es, pues, el cuarto metal más abundante. Entre los elementos en general, el titanio es el noveno más abundante en la corteza terrestre. Podemos decir entonces, muy criollamente, que no será el más abundante, pero hay titanio que juega garrote.

Aclarado eso, repito la pregunta que quedó pendiente de mi entrada anterior en este blog:

¿Qué metal es estable al aire libre pero no puede fundirse al aire libre?
Respuesta: el titanio. En verdad no estoy seguro de que sea el único metal que responde correctamente a esta pregunta, pero en todo caso, es uno de los que la responden correctamente.

El titanio se funde a más de 1600 ºC, pero ya a los 1200 ºC reacciona con el oxígeno del aire, oxidándose. Entonces el titanio no puede fundirse al aire libre porque cuatrocientos grados antes resulta que, literalmente, se quema. Solo puede fundirse en una atmósfera inerte, o al vacío. Esto, por supuesto, dificulta la fundición del titanio.

Del titanio se puede comentar muchísimo. Es tolerado por los tejidos vivos, por ello se utiliza en la construcción de prótesis. Por cierto, se puede encontrar titanio en casi todos los organismos vivos. No se imanta (paramagnético), es muy resistente a la corrosión, es relativamente liviano, y es muy fuerte.

¿Cuál es el metal con la relación fortaleza-peso más elevada entre todos los metales?
Respuesta: el titanio otra vez. El titanio puro, sin aleación, es tan fuerte como algunos aceros, pero es 45% más liviano. El tungsteno (metal usado en los filamentos de los bombillos incandescentes) es más fuerte que el titanio. De hecho, el tungsteno es el metal puro más fuerte (el de mayor resistencia a la tracción), pero es también más de cuatro veces más denso que el titanio.

¿Hay algo que tenga mejor relación fortaleza-peso que el titanio?
Respuesta: sí, y un buen ejemplo, aunque ud. no lo crea, es la tela de araña.

¿Qué metal es más denso, el titanio o el aluminio?
Repuesta: el titanio, que es 68% más denso que el aluminio. También es dos veces más fuerte que el aluminio, sin embargo.

Y hablando de densidad, en la entrada anterior vimos que el oro es uno de los elementos más densos, es decir, de los que tiene mayor masa (o más "peso", para simplificar) por unidad de volumen. Mientras un litro de agua pesa 1 kg, un litro de oro pesa casi 20 kg. Ya sabemos, por ejemplo, que el oro es más denso que el plomo. Aquí podría agregar que el oro es incluso más denso que el uranio. Pero el oro no es el elemento más denso. El tungsteno (recordemos de arriba: el metal puro más fuerte) es por una punta de nariz un poco más denso que el oro. Un litro de tungsteno pesa unos pocos gramos más que un litro de oro. Pero tampoco el tungsteno es el elemento más denso.

¿Cual es el elemento natural (no artificialmente creado) más denso de todos?
La respuesta es un metal no tan popularmente conocido: el osmio. Un litro de osmio pesa casi 23 kg. El lingote estándar más pesado que puede hacerse con un elemento natural es, pues, un lingote de osmio.

¿Es el titanio el más "duro" de todos los metales puros?
Respuesta: No.

¿Cuál es el metal natural de mayor dureza?
Respuesta: el osmio otra vez (dureza "Brinell").

La dureza Brinell es solo una entre varias escalas de dureza. Ojo, dureza no es lo mismo que resistencia a la tracción (donde gana el tungsteno). Un ensayo de Brinell mide la resistencia del material a la "indentación" al ser golpeado. En esa escala, el osmio queda de primero entre todos los elementos. Le sigue de segundo, por cierto, el tungsteno, aunque algo de lejos. De tercero, el website cuyo link pongo abajo pone al oro (¿cómo?), lo cual pareciera errado pues eso significaría que en dureza Brinell el oro sería unas 100 veces más duro que la plata (?), y más duro que el hierro e incluso el titanio (???) Esto no cuadra. (Actualización 1: consulté con la fuente donde encontré esto del oro como el 3er elemento con mayor dureza Brinell, y están de acuerdo en que parece un error. Están revisando sus propias fuentes y actualizarán su página de ser necesario.)

Otra escala más conocida de dureza es la escala de Mohs, que mide la resistencia al "rayado". En la escala de Mohs es donde el carbono (como diamante) reina supremo como el elemento más duro, seguido por 2) el boro, 3) el cromo, 4) el tungsteno, y luego 5) el osmio. También en esa escala quedan, pues, el osmio y el tungsteno, entre los elementos más duros.

El osmio es entonces el más denso y duro (Brinell) de los metales naturales. Por ello se utiliza osmio donde se requiere dureza y durabilidad extremas. Las puntas de algunos bolígrafos y plumas fuentes, por ejemplo, tienen aleaciones de osmio. "Escribir es cosa muy dura" reconocen algunos escritores, pero también es algo que reconocen muy bien los ingenieros de materiales y los constructores de buenos bolígrafos. ;)

El tungsteno también se utiliza para aplicaciones que requieren dureza y durabilidad extremas. Una tal aplicación, que parece haber comenzado a estar de moda algo recientemente, son las joyas hechas de tungsteno.

El tungsteno será el metal principal de una próxima entrega.


PD. Entre metales, parte III

Referencias:
Abundancia de los elementos en la corteza terrestre
Elementos de la tabla periódica ordenados por densidad
Dureza Brinell de los elementos
Dureza Mohs de los elementos

Entre metales, parte I

Las palabras "maleable" y "dúctil" suelen confundirse a veces como sinónimos, pero se refieren a cómo responden los materiales a fuerzas prácticamente "antónimas".

La "maleabilidad" es la capacidad de los materiales de deformarse de manera permanente, y sin romperse, bajo fuerzas de compresión.

La "ductilidad" es la capacidad de los materiales de deformarse de manera permanente, y sin romperse, bajo fuerzas de tensión o tracción.

¿Cómo se traduce esa diferencia en términos prácticos y en criollo? Pues que si un metal es maleable, entonces puedes hacer láminas de ese metal simplemente comprimiéndolo, o a punta de martillazos. Y si un metal es dúctil, puedes hacer alambres o hilos simplemente estirando o halando lo suficiente ese metal.

El porqué de la típica "con-fusión" (valga la alusión metalúrgica) entre maleabilidad y ductilidad quizá tenga que ver con el hecho de que el metal más maleable resulta ser también el más dúctil: el oro. El oro es el más maleable y dúctil de todos los elementos. Es tan maleable que se pueden hacer hojas de oro traslúcidas a punta de martillazos. La plata es uno de los metales más maleables después del oro. En algunas fuentes en Internet encuentro que el paladio es el segundo metal más maleable después del oro; otras fuentes indican que es el aluminio; otras que la plata. No sé el porqué de esa inconsistencia, pero debido a ella debo indagar más para aseverar cuál es exactamente el elemento más maleable y cuál el más dúctil después del oro.

Hablando de propiedades de metales, aunque arriba no quedó la plata de primero, cabe recordar que la plata es el mejor conductor eléctrico y térmico entre todos los elementos; el cobre, el oro y el aluminio son segundo, tercero y cuarto en ese respecto.

El oro, por otro lado, es sumamente denso. No es el elemento más denso, pero sí uno de los más densos. He allí una pregunta de trivia: ¿Quién es más denso, el oro o el plomo? La respuesta correcta: el oro. De hecho es ~71% más denso que el plomo.

Pensando en estas propiedades entre tantos metales se me ocurre armar una lista de preguntas de trivia sobre propiedades interesantes y no muy obvias de algunos metales. Estas preguntas podrían ser, por supuesto, bastante rebuscadas. Por ejemplo: ¿Qué metal es estable al aire libre pero no puede fundirse al aire libre?... Ojo, no es concha de mango. La respuesta tiene que ver con el hecho de que dicho metal se quemaría (se oxidaría) al aire libre antes de alcanzar su temperatura de fusión.

Publicaré la respuesta a esa pregunta en una próxima entrada, que incluirá varias de estas "adivinanzas metalúrgicas".


PD. Entre Metales parte II