9.14: Legame nei metalli

I legami metallici si formano tra due atomi di metallo. Un modello semplificato per descrivere il legame metallico stato sviluppato da Paul Drde chiamato “modello del mare di elettroni?.

Modello del mare di elettroni

La maggior parte degli atomi metallici non possiede abbastanza elettroni di valenza per formare un legame ionico o covalente. Tuttavia, gli elettroni di valenza negli atomi metallici sono trattenuti in modo debole a causa della loro bassa elettronegativit o attrazione con il nucleo. L'energia di ionizzazione degli atomi metallici (energia richiesta per rimuovere un elettrone dall'atomo) bassa, facilitando la facile rimozione degli elettroni di valenza dall'atomo genitore. L'atomo forma uno ione metallico caricato positivamente, mentre gli elettroni esterni liberi esistono come nuvole di elettroni delocalizzati caricati negativamente. Questi elettroni possono essere condivisi da pi cationi metallici vicini attraverso una forte forza attrattiva tra queste specie caricate negativamente e positivamente. Una tale forza attrattiva tra gli elettroni caricati negativamente e i cationi metallici chiamata legami metallici, che tengono insieme gli atomi. Questo modello del mare di elettroni spiega la maggior parte delle propriet fisiche dei metalli come conduttanza al calore e all’elettricit, punti di fusione e di ebollizione elevati, malleabilit e duttilit.

Solidi metallici

Il modello del mare di elettroni tiene conto di diverse propriet metalliche, tra cui elevata conduttivit termica ed elettrica, lucentezza metallica, duttilit e malleabilit. Gli elettroni delocalizzati possono condurre sia l'elettricit che il calore da un'estremit all'altra del metallo con bassa resistenza. Il legame metallico non tra due atomi metallici specifici, ma tra ioni metallici e molti elettroni delocalizzati, consentendo ai metalli di deformarsi sotto pressione e calore senza frantumarsi o rompersi. Metalli diversi, come ferro, mercurio o rame, differiscono nelle loro propriet fisiche, riflettendo la differenza nella forza del legame metallico tra i metalli.

I solidi metallici come i cristalli di rame, alluminio e ferro sono formati da atomi di metallo: tutti presentano un'elevata conduttivit termica ed elettrica, lucentezza metallica e malleabilit. Molti sono molto duri e piuttosto forti. A causa della loro malleabilit (la capacit di deformarsi sotto pressione o martellamento), non si frantumano e, quindi, costituiscono utili materiali da costruzione. I punti di fusione dei metalli variano ampiamente. Il mercurio un liquido a temperatura ambiente e i metalli alcalini fondono al di sotto dei 200 °C. Anche diversi metalli post-transizione hanno punti di fusione bassi, mentre i metalli di transizione fondono a temperature superiori a 1000 °C. Queste differenze riflettono le differenze nella forza del legame metallico tra i metalli.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.

Un legame metallico è un legame fra due atomi di metallo. Rispetto ai non metalli, i metalli hanno basse energie di ionizzazione, consentendo loro di perdere facilmente gli elettroni di valenza. Questo conferisce al legame metallico proprietà distinte in contrasto con i legami ionici e covalenti.

I legami metallici e la maggior parte delle loro proprietà possono essere spiegati utilizzando il semplice modello del mare di elettroni. Considerate il metallo potassio. Grazie alla bassa energia di ionizzazione, ogni atomo di potassio può facilmente perdere il suo elettrone di valenza per diventare un catione.

Questi cationi di potassio sono tenuti insieme strettamente grazie alla loro attrazione per il mare di elettroni, caricati negativamente. Gli elettroni non sono limitati a un singolo ione ma sono distribuiti uniformemente e relativamente liberi di muoversi all'interno del metallo. Il modello del mare di elettroni tiene conto di diverse importanti caratteristiche dei metalli.

Per esempio, quando una differenza di tensione viene applicata a un filo metallico, come un filo di rame, gli elettroni caricati negativamente si muovono liberamente verso l'estremità positiva del filo, generando una corrente elettrica. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei metalli sono eccellenti conduttori di elettricità. Al contrario, i composti ionici non sono conduttori di elettricità nella loro forma solida, ma possono condurre elettricità quando disciolti in acqua.

Questo perché, in un legame ionico cristallino, gli elettroni vengono trasferiti dal metallo al non metallo, ma rimangono localizzati in uno ione. Tuttavia, una volta disciolti in acqua, i cationi e gli anioni si dissociano e possono muoversi se sottoposti a una differenza di potenziale, creando una corrente elettrica. I metalli sono anche ottimi conduttori termici.

Secondo il modello del mare degli elettroni, quando il calore viene applicato a un'estremità del metallo, gli elettroni si muovono liberamente e disperdono rapidamente il calore attraverso il metallo. I metalli possono essere facilmente spianati in fogli grazie alla loro malleabilità o in fili grazie alla proprietà di duttilità. Poiché non ci sono legami localizzati nei metalli, gli atomi di metallo possono scorrere l'uno sull'altro consentendo una facile deformità.

Gli elettroni quindi fluiscono nella nuova forma per accogliere la deformità.