Legame metallico

Nel legame metallico gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi da un atomo all'altro, formando una nuvola elettronica in cui sono immersi gli ioni positivi. E' un tipo di legame chimico.

In questo tipo di legame gli elettroni di valenza sono delocalizzati perché sono liberi di muoversi.

Gli atomi di un metallo hanno una bassa energia di ionizzazione.

un esempio di reticolo metallico

Quindi, gli elettroni di valenza non appartengono a un determinato atomo ma sono condivisi tra tutti gli atomi.

Nota. Gli elettroni di valenza sono condivisi con tutti gli atomi del composto e non solo con quelli più vicini.

L'attrazione elettrostatica tra gli elettroni mobili e gli ioni positivi genera il legame chimico che unisce gli atomi di un metallo solido.

La struttura del metallo

Un solido metallico è composto da un reticolo ordinato di ioni positivi immersi in un mare di elettroni liberi di muoversi (delocalizzati).

Nota. Soltanto gli elettroni di valenza (più esterni) si muovono liberamente. Gli elettroni degli orbitali più interni (non di valenza) restano ancorati allo ione positivo.

Gli atomi sono tutti uguali e hanno pochi elettroni nello stato di valenza perché li perdono facilmente (bassa energia di ionizzazione).

Gli elettroni liberi formano una nube di elettroni di valenza che circonda gli ioni positivi e li trattiene in una posizione.

la struttura del metallo

La struttura cristallina è molto compatta. In genere ogni atomo è circondato da altri atomi adiacenti.

Avendo pochi elettroni esterni, ogni atomo forma pochi legami covalenti con gli atomi vicini.

Nota. In un metallo tutti gli atomi sono uguali. Pertanto, in un metallo non si formano legami ionici.

Le caratteristiche dei metalli

I metalli hanno proprietà fisiche diverse dagli altri solidi:

  • Sono buoni conduttori di elettricità e calore
  • Hanno una superficie opaca
  • Sono facilmente deformabili

Queste caratteristiche derivano dal legame metallico.

Gli elettroni sono liberi di muoversi nel solido metallico. Questo agevola la conduzione dell'elettricità e del calore.

la conduzione del calore e dell'elettricità

Nota. La conducibilità elettrica di un metallo varia con la temperatura. Quando aumenta la temperatura, aumenta la vibrazione degli ioni positivi che ostacola lo spostamento degli elettroni. Quindi, l'incremento della temperatura aumenta la resistenza elettrica dei metalli.
la temperatura aumenta la resistenza alla conducibilità elettrica

L'opacità e la lucentezza dei metalli deriva dagli elettroni di valenza che, essendo liberi di muoversi ossia eccitati, riemettono l'energia luminosa assorbita dall'esterno.

la lucentezza e l'opacità del metallo

La malleabilità e la duttilità dei metalli derivano, invece, dal reticolo degli ioni positivi dei metalli.

La duttilità è la riduzione del metallo in fili sottili mentre la malleabilità è la riduzione in lamine.

I piani del reticolo (ioni positivi) scorrono facilmente l'uno sull'altro senza rompere la struttura cristallina.

lo scivolamento del piano nella struttura metallica

Nota. C'è una grande differenza tra il reticolo metallico e il reticolo ionico. Il reticolo ionico è composto da ioni positivi e negativi, le forze repulsive ostacolano lo slittamento dei piani della struttura. Pertanto, il cristallo ionico tende a rompersi quando viene deformato. Viceversa, il cristallo metallico si piega perché è meno soggetto alle forze elettrostatiche repulsive.

La teoria delle bande

La teoria delle bande descrive il legame metallico tramite gli orbitali molecolari.

Secondo la teoria degli orbitali molecolari, quando due atomi si legano formano due orbitali molecolari di legame e anti-legame.

la formazione degli orbitali leganti e anti-leganti

In un legame si formano tanti orbitali molecolari, quanti sono gli orbitali atomici di valenza dei singoli atomi.

Nota. A differenza degli orbitali atomici, l'orbitale molecolare occupa lo spazio intorno a due o più atomi. Gli orbitali atomici, invece, occupano lo spazio intorno a un solo atomo singolo.

Ogni orbitale molecolare ha un livello energetico particolare e si colloca a una determinata distanza dagli atomi.

In un reticolo metallico gli orbitali molecolari sono molto vicini tra loro perché sono numerosi e hanno livelli energetici diversi. Così vicini da formare uno spazio continuo detto banda.

Non si forma però una sola banda intorno agli atomi del reticolo metallico bensì molte bande di larghezza variabile.

Ogni banda occupa un determinato intervallo di energia.

La separazione in bande dipende da due aspetti

  • Distanza internucleare
    Quanto minore è la distanza tra gli ioni positivi adiacenti nel cristallo, tanto minore è il numero delle bande. Viceversa, quanto più sono distanti, tante più bande si formano.
  • Differenza di energia degli orbitali atomici
    Quanto minore è la differenza del livello energetico degli orbitali atomici di valenza degli ioni positivi, tanto minore è il numero delle bande.

    Esempio. Gli orbitali atomici 2s e 2p oppure 3s e 3p hanno livelli energetici molto simili. Pertanto, gli orbitali molecolari che formano sono sovrapposti in uno spazio ridotto. Per questa ragione si formano poche bande. Viceversa, se la differenza di energia è elevata, si formano più bande distinte.
    la sovrapposizione degli orbitali np e ns

Le bande del composto metallico si distinguono in due tipologie

  • Le bande più interne sono piene di elettroni.
  • La banda più esterna (banda di valenza) può invece essere piena o semipiena.

Soltanto gli elettroni della banda di valenza sono liberi di muoversi in tutto il reticolo metallico.

Gli elettroni delle bande più interne restano localizzati intorno ai singoli atomi del metallo.

Un esempio pratico

Il sodio (Na) ha configurazione elettronica superficiale 2s1 con un elettrone di valenza.

Quando si avvicinano due atomi si sodio (Na2) i due orbitali 2s si trasformano in due orbitali molecolari (legame e anti-legame).

I due elettroni di valenza si posizionano nel livello energetico più basso.

il legame tra due atomi di sodio

Se si avvicina un terzo atomo di sodio (Na3) i tre orbitali 3s si trasformano in tre orbitali molecolari.

Due elettroni di valenza si collocano in basso e l'elettrone restante nell'orbitale intermedio.

un esempio con tre atomi

Se si avvicina un quarto atomo di sodio (Na4) i quattro orbitali 3s si trasformano in quattro orbitali molecolari.

I quattro elettroni di valenza saturano gli orbitali con minore energia. E via dicendo.

un esempio con quattro atomi

Quanti più atomi di sodio ci sono, tanto più gli orbitali molecolari si avvicinano.

Con un numero enorme di atomi si forma così una banda di legame (bonding) e una banda di anti-legame (antibonding).

la banda di legame e anti-legame

Perché i metalli sono buoni conduttori

I metalli sono buoni conduttori per due ragioni

  1. Banda di valenza semipiena
    Nei metalli la banda di valenza può anche essere semipiena. Se la banda di valenza è semipiena gli elettroni sono liberi di muoversi. Quindi, applicando una corrente elettrica o una sollecitazione termica agli estremi il solido metallico si comporta come un conduttore di elettricità o di calore.
    la banda di valenza semipiena

    Esempio. Nel litio la banda di valenza è semi piena. Quindi, gli elettroni possono muoversi nel solido. Per questa ragione il litio è un buon conduttore.

  2. Banda di valenza piena ma sovrapposta o contigua a una banda vuota
    Nei metalli la banda di valenza piena è sovrapposta o relativamente vicina ad altre bande superiori vuote dette bande di conduzione. Se la banda di valenza è piena ma la differenza di energia rispetto alla banda superiore (band gap) è minima, alcuni elettroni possono comunque passare nella banda superiore più vuota.
    la banda di valenza è sovrapposta
    In entrambi i casi (contigui o sovrapposti), nei metalli non c'è dislivello energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione.

    Esempio. Nel berillio la banda di valenza è piena ma è sovrapposta a una banda di energia superiore vuota. Quindi, gli elettroni possono comunque spostarsi.

In generale tutti i metalli sono buoni conduttori termici ed elettrici.

La teoria delle bande può comunque essere utilizzata anche per spiegare il comportamento dei materiali semiconduttori e dei materiali isolanti (non metalli).

I semiconduttori

Un materiale è detto semiconduttore quando la banda di conduzione è vicina ma separata dalla banda di valenza.

In questo caso il comportamento del materiale è a metà strada tra i conduttori e gli isolanti.

il semiconduttore

L'energia necessaria per far saltare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione si misura in elettronvolt (eV).

Generalmente in un semiconduttore il dislivello energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione è di circa 1 eV.

Esempio. Il silicio (Si) ha la banda di valenza separata dalla banda di conduzione. Tuttavia, è sufficiente un 1.1 eV per far saltare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Pertanto, il silicio è un buon semiconduttore. Altri semiconduttori sono il germanio (Ge), il selenio (Se) e composti quali l'arseniuro di gallio (GaAs).

Il passaggio alla banda di conduzione può avvenire può essere ottenuto per

  • Termoconduzione
    per riscaldamento del solido
  • Fotoconduzione
  • per effetto di una radiazione ad apposita frequenza (es. questo fenomeno è alla basa dei pannelli solari fotovoltaici).

Nota. Nei metalli l'aumento della temperatura riduce la conducibilità elettrica, perché il moto degli elettroni viene ostacolato dalle maggiori vibrazioni degli ioni positivi. Viceversa, in un semiconduttore l'aumento della temperatura migliora la conducibilità.

Gli isolanti

Nei solidi ionici e covalenti (non metalli) la banda di valenza è piena ed è molto distante dalla banda successiva.

Quindi, l'intervallo tra due bande (band gap) è molto grande. E' anche detto banda proibitiva.

un esempio di isolante

In un isolante il dislivello energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione è di circa 10 eV.

In caso di eccitazione elettrica o termica agli estremi, il solido ionico o covalente si comporta come un isolante perché nessun elettrone può muoversi.

Per far spostare gli elettroni alla banda di conduzione occorre un'elevata quantità di energia.

Esempio. Il diamante è un buon isolante. Sono necessari 6 eV per far spostare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

E così via.

 


 

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I legami chimici