Syllabus ref: 4.5
In questa sezione esaminiamo le forze che tengono insieme una struttura metallica. Il legame metallico.
- Delocalizzazione degli elettroni
- Formazione degli ioni
- Il legame metallico
- Il reticolo metallico
Delocalizzazione degli elettroni
Gli atomi di metallo, come tutti gli altri metalli a parte i gas nobili, non possono esistere a lungo da soli. Gli atomi di metallo si aggregano e si attraggono a vicenda nel tentativo di stabilizzarsi.
Gli atomi di metallo hanno pochissimi elettroni nel guscio esterno (elettroni di valenza) e quindi non possono ottenere un guscio esterno completo guadagnando elettroni o condividendo elettroni. Essi tendono a perdere elettroni, trasferendoli ad atomi non metallici. Tuttavia, in assenza di atomi non metallici, l’unico modo in cui possono raggiungere la stabilità è condividere tutti gli elettroni del guscio esterno in orbitali delocalizzati giganti. Sono questi orbitali delocalizzati che danno ai metalli le loro caratteristiche uniche.
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Formazione degli ioni
Perdere gli elettroni esterni in un grande orbitale delocalizzato lascia gli atomi metallici come ioni. Questi ioni sono poi tenuti in posizione dall’attrazione della carica negativa nell’orbitale delocalizzato. Gli ioni stessi sono disposti in un reticolo gigante (rete).
La carica degli ioni dipende dal numero di elettroni del guscio esterno. I metalli del gruppo 1 forniscono un elettrone per atomo all’orbitale delocalizzato e gli ioni formati hanno una carica 1+. Gli atomi del gruppo 2 hanno ioni con una carica 2+.
Anche i metalli di transizione perdono elettroni formando ioni, ma il numero di elettroni non può essere previsto dal numero del gruppo (poiché non sono disposti in gruppi). Generalmente i metalli di transizione formano ioni 2+.
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Il legame metallico
Il mare di elettroni è una nuvola di carica negativa che attrae tutti gli ioni positivi. È un po’ come le biglie infilate nel blu-tack. Gli ioni metallici si respingerebbero a vicenda senza la nuvola di carica elettronica, tuttavia la forza di attrazione elettrostatica tra gli elettroni e gli ioni positivi tiene insieme l’intera struttura.
La forza del legame metallico è una funzione del numero di elettroni forniti dagli atomi e la conseguente carica sugli ioni metallici. Anche il raggio ionico gioca un ruolo, poiché gli ioni più piccoli esercitano una maggiore forza di attrazione sulla nuvola di carica negativa.
- Carica ionica crescente = legame metallico più forte
- Raggio ionico decrescente = legame metallico più forte
L’effetto di questi due fattori può essere visto confrontando i punti di fusione (la temperatura necessaria per superare le forze all’interno della struttura metallica) giù nel gruppo 1 e attraverso il terzo periodo.
| Metalli del gruppo 1 | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| raggio ionico / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| Punto di fusione / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Si vede chiaramente che come il raggio ionico aumenta così il punto di fusione diminuisce. Il cesio sarebbe un liquido in una calda giornata estiva.
| Metalli del terzo periodo | Na | Mg | Al |
|---|---|---|---|
| Raggio ionico / nm | 0.098 | 0.065 | 0.045 |
| carica ionica | 1+ | 2+ | 3+ |
| punto di fusione / K | 371 | 922 | 936 |
Anche se il magnesio ha un raggio simile al litio, il punto di fusione è molto più alto, indicando che l’effetto del raddoppio della carica ionica è molto più significativo.
L’alluminio ha un punto di fusione più alto del magnesio, anche se non una tale differenza come tra litio e magnesio. Si pensa che l’alta densità di carica dello ione alluminio 3+ richiami la densità di elettroni sugli ioni alluminio diminuendo efficacemente la loro carica ionica.
L’alluminio è noto per fare questo nei suoi composti, dando loro un alto grado di carattere covalente, quindi sembra ragionevole che effetti simili si applichino al legame metallico.
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Il reticolo metallico
Poiché gli ioni metallici in un reticolo di un elemento metallico hanno tutti lo stesso raggio, possono facilmente impacchettarsi come biglie in un secchio.
La disposizione più comune è chiamata impacchettamento esagonale stretto (HCP). È il modo più efficiente per le sfere di impacchettare insieme.
Ci sono due sistemi principali di impacchettamento ravvicinato, a seconda di come il terzo strato è posto rispetto agli altri due. Questi due sistemi di impacchettamento sono chiamati ABA e ABC. Se gli ioni del terzo strato sono direttamente sopra quelli del primo strato, si chiama ABA. Se gli ioni del terzo strato si trovano in “buchi” che non sono direttamente sopra nessun altro ione, l’impacchettamento si chiama ABC. Il modo migliore per visualizzarlo è usando dei modelli.
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