Syllabus ref: 4.5
Nesta secção, examinamos as forças que mantêm uma estrutura metálica unida. A ligação metálica.
- Delocalização de electrões
- Formação de iões
- A ligação metálica
- A grade metálica
Delocalização de electrões
Atomos metálicos, em comum com todos os outros metais excepto os gases nobres, não podem existir por muito tempo sozinhos. Os átomos metálicos agregam-se e atraem-se uns aos outros, numa tentativa de se estabilizarem.
Os átomos de metal têm muito poucos electrões no invólucro exterior (electrões de valência) e por isso não podem alcançar um invólucro exterior completo ganhando electrões ou partilhando electrões. Eles tendem a perder elétrons, transferindo-os para átomos não metálicos. No entanto, na ausência de átomos não metálicos, a única maneira que eles podem alcançar estabilidade é compartilhando todos os elétrons da carapaça externa em orbitais gigantescas deslocadas. São estes elétrons orbitais deslocalizados que dão aos metais as suas características únicas.
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Formação de íons
Perder os elétrons externos para um grande orbital deslocalizado deixa os átomos metálicos como íons. Esses íons são então mantidos no lugar pela atração da carga negativa no orbital deslocalizado. Os íons em si são dispostos em uma malha gigante (rede).
A carga sobre os iões depende do número de electrões do invólucro exterior. Os metais do grupo 1 fornecem um elétron por átomo ao orbital deslocalizado e os íons formados têm uma carga de 1+. Os átomos do grupo 2 têm iões com uma carga 2+.
Os metais de transição também perdem iões formadores de electrões, mas o número de electrões não pode ser previsto a partir do número do grupo (uma vez que não estão dispostos em grupos). Geralmente os metais de transição formam 2+ iões.
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A ligação metálica
O mar de electrões é uma nuvem de carga negativa que atrai todos os iões positivos. É um pouco como mármores presos em tachas azuis. Os iões metálicos repeliriam uns aos outros sem a nuvem de carga de electrões, contudo a força de atracção electrostática entre os electrões e os iões positivos mantém toda a estrutura unida.
A força da ligação metálica é uma função do número de electrões fornecidos pelos átomos e a consequente carga sobre os iões metálicos. O raio iônico também desempenha um papel, pois íons menores exercem uma maior força de atração sobre a nuvem de carga negativa.
- Carga iônica crescente = ligação metálica mais forte
- Diminuição do raio iônico = ligação metálica mais forte
O efeito desses dois fatores pode ser visto comparando-se os pontos de fusão (a temperatura necessária para superar as forças dentro da estrutura metálica) para baixo no grupo 1 e ao longo do terceiro período.
| Metal do grupo 1 | Li | Na | K | Rb | Cs |
|---|---|---|---|---|---|
| Raio iónico / nm | 0.068 | 0.098 | 0.133 | 0.148 | 0.167 |
| ponto de fusão / K | 454 | 371 | 337 | 312 | 302 |
Vê-se claramente que à medida que o raio iónico aumenta, o ponto de fusão diminui. O césio seria um líquido num dia quente de verão.
| Periodo 3 metais | Na | Mg | Al | |
|---|---|---|---|---|
| Raio iónico / nm | 0,098 | 0,065 | 0,065 | 0.045 |
| carga iônica | 1+ | 2+ | 3+ | |
| ponto de fusão / K | 371 | 922 | 936 |
Pesar de o magnésio ter um raio semelhante ao lítio, o ponto de fusão é muito mais elevado, indicando que o efeito da duplicação da carga iónica é muito mais significativo.
Alumínio tem um ponto de fusão mais elevado que o magnésio, embora não exista tal diferença como entre o lítio e o magnésio. Pensa-se que a alta densidade de carga do íon de alumínio 3+ puxa a densidade dos elétrons de volta para os íons de alumínio, diminuindo efetivamente sua carga iônica.
Alumínio é conhecido por fazer isto nos seus compostos, dando-lhes um elevado grau de carácter covalente, pelo que parece razoável que efeitos semelhantes se apliquem à ligação metálica.
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A grade metálica
As iões metálicos numa grade de um elemento metálico são todos do mesmo raio e podem facilmente ser embalados como mármores num balde.
O arranjo mais comum é chamado de empacotamento hexagonal fechado (HCP). É a forma mais eficiente de empacotar as esferas juntas.
Existem dois sistemas principais de empacotamento fechado, dependendo de como a terceira camada é colocada em comparação com as outras duas. Estes dois sistemas de empacotamento são chamados de ABA e ABC. Se os íons da terceira camada estiverem diretamente acima dos da primeira camada, é chamado de ABA. Se os íons da terceira camada estiverem em “furos” que não estejam diretamente acima de nenhum outro íon, a embalagem é chamada de ABC. A melhor maneira de visualizar isto é usando modelos.
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