Syllabus ref: 4.5
En esta sección examinamos las fuerzas que mantienen unida una estructura metálica. El enlace metálico.
- Delocalización de electrones
- Formación de iones
- El enlace metálico
- La red metálica
Delocalización de electrones
Los átomos de los metales, al igual que todos los demás metales excepto los gases nobles, no pueden existir por mucho tiempo solos. Los átomos metálicos se agregan y se atraen entre sí en un intento de estabilizarse.
Los átomos metálicos tienen muy pocos electrones en la capa exterior (electrones de valencia) y por eso no pueden conseguir una capa exterior completa ganando electrones o compartiendo electrones. Tienden a perder electrones, transfiriéndolos a átomos no metálicos. Sin embargo, en ausencia de átomos no metálicos, la única forma de conseguir estabilidad es compartiendo todos los electrones de la capa exterior en orbitales deslocalizados gigantes. Son estos electrones de los orbitales deslocalizados los que dan a los metales sus características únicas.
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Formación de iones
La pérdida de los electrones exteriores en un gran orbital deslocalizado deja a los átomos metálicos como iones. Estos iones se mantienen en su lugar por la atracción de la carga negativa en el orbital deslocalizado. Los propios iones se organizan en un entramado gigante (red).
La carga de los iones depende del número de electrones de la capa externa. Los metales del grupo 1 aportan un electrón por átomo al orbital deslocalizado y los iones formados tienen una carga 1+. Los átomos del grupo 2 tienen iones con carga 2+.
Los metales de transición también pierden electrones formando iones, pero el número de electrones no se puede predecir a partir del número de grupo (ya que no están ordenados en grupos). Generalmente los metales de transición forman iones 2+.
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El enlace metálico
El mar de electrones es una nube de carga negativa que atrae a todos los iones positivos. Es más bien como las canicas clavadas en el blu-tack. Los iones metálicos se repelerían entre sí sin la nube de carga de electrones, sin embargo, la fuerza de atracción electrostática entre los electrones y los iones positivos mantiene unida toda la estructura.
La fuerza del enlace metálico es una función del número de electrones aportados por los átomos y la consiguiente carga de los iones metálicos. El radio iónico también influye, ya que los iones más pequeños ejercen una mayor fuerza de atracción sobre la nube de carga negativa.
- Carga iónica creciente = enlace metálico más fuerte
- Radio iónico decreciente = enlace metálico más fuerte
El efecto de estos dos factores puede verse comparando los puntos de fusión (la temperatura necesaria para superar las fuerzas dentro de la estructura metálica) hacia abajo del grupo 1 y a través del tercer período.
| Metales del grupo 1 | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| radio iónico / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| punto de fusión / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Se ve claramente que a medida que aumenta el radio iónico también disminuye el punto de fusión. El cesio sería un líquido en un día cálido de verano.
| Metales de período 3 | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| Radio iónico / nm | 0,098 | 0,065 | 0.045 |
| carga iónica | 1+ | 2+ | 3+ |
| punto de fusión / K | 371 | 922 | 936 |
Aunque el magnesio tiene un radio similar al del litio el punto de fusión es mucho mayor, lo que indica que el efecto de duplicar la carga iónica es mucho más significativo.
El aluminio tiene un punto de fusión más alto que el magnesio, aunque no hay tanta diferencia como entre el litio y el magnesio. Se piensa que la alta densidad de carga del ion 3+ del aluminio tira de la densidad de electrones hacia los iones de aluminio disminuyendo efectivamente su carga iónica.
Se sabe que el aluminio hace esto en sus compuestos, dándoles un alto grado de carácter covalente, por lo que parece razonable que efectos similares se apliquen al enlace metálico.
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La red metálica
Como los iones metálicos en una red de un elemento metálico son todos del mismo radio, pueden empaquetarse fácilmente como canicas en un cubo.
La disposición más común se denomina empaquetamiento cerrado hexagonal (HCP). Es la forma más eficiente para que las esferas se empaquen juntas.
Hay dos sistemas principales de empaquetamiento cercano, dependiendo de cómo se coloca la tercera capa en comparación con las otras dos. Estos dos sistemas de empaquetamiento se denominan ABA y ABC. Si los iones de la tercera capa están directamente encima de los de la primera capa, se llama ABA. Si los iones de la tercera capa se sitúan en «huecos» que no están directamente encima de ningún otro ion, el empaquetamiento se denomina ABC. La mejor manera de visualizar esto es utilizando modelos.
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