11.17: Solidi metallici

I solidi metallici come i cristalli di rame, alluminio e ferro sono formati da atomi di metallo. La struttura dei cristalli metallici viene spesso descritta come una distribuzione uniforme di nuclei atomici all'interno di un “mare? di elettroni delocalizzati. Gli atomi all'interno di un solido metallico di questo tipo sono tenuti insieme da una forza unica nota come legame metallico che d origine a molte propriet utili e varie.

Tutti i solidi metallici presentano elevata conduttivit termica ed elettrica, lucentezza metallica e malleabilit. Alcuni 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.

Propriet dei solidi metallici

A causa della loro struttura cristallina, i solidi metallici presentano poche propriet uniche associate alla struttura e sono stati tabulati nella tabella seguente.

I solidi costituiti da atomi identici possono avere due tipi di disposizione: quadrata o compatta (Figura 1). Poich l'impaccamento ravvicinato massimizza le attrazioni complessive tra gli atomi e minimizza l'energia intermolecolare totale, gli atomi nella maggior parte dei metalli si impacchettano in questo modo.

Figura 1. Disposizione quadrata e compatta.

Troviamo due tipi di impaccamento pi vicino nelle strutture cristalline metalliche semplici: impaccamento pi vicino esagonale (HCP) e impaccamento pi vicino cubico (CCP). Entrambi sono costituiti da strati ripetuti di atomi disposti esagonali. In entrambi i tipi, un secondo strato (B) posto sul primo strato (A) in modo che ciascun atomo del secondo strato sia in contatto con tre atomi del primo strato. Il terzo strato posizionato in due modi.

In HCP, gli atomi nel terzo strato sono direttamente sopra gli atomi nel primo strato (cio, anche il terzo strato di tipo A) e l'impilamento consiste in strati compatti alternati di tipo A e di tipo B (cio ABABAB⋯) (Figura 2a).

Nel CCP, gli atomi nel terzo strato non sono sopra gli atomi in nessuno dei primi due strati (cio, il terzo strato di tipo C), e l'impilamento consiste nell'alternanza di strati compatti di tipo A, tipo B e tipo C ( cio ABCABCABC⋯) (Figura 2b). Le disposizioni cubiche a facce centrate (FCC) e CCP sono in realt le stesse strutture con un impaccamento compatto di atomi, che occupano il 74% del volume.

Figura 2. (a) L'impaccamento esagonale costituito da due strati alternati (ABABAB…). (b) L'impaccamento cubico costituito da tre strati alternati (ABCABCABC…).

In entrambi i tipi di impaccamento, ciascun atomo entra in contatto con sei atomi nel proprio strato, tre nello strato superiore e tre in quello inferiore. Pertanto ogni atomo tocca 12 vicini vicini e quindi ha un numero di coordinazione pari a 12.

Circa due terzi di tutti i metalli cristallizzano in variet pi vicine con numeri di coordinazione pari a 12. I metalli che cristallizzano in una struttura HCP includono Cd, Co, Li, Mg, Na e Zn, mentre i metalli che cristallizzano in una struttura CCP includono Ag , Al, Ca, Cu, Ni, Pb e Pt.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Sections 10.5 The Solid State of Matter, and 10.6 Lattice Structures in Crystalline Solids

I solidi metallici, come rame, alluminio e oro, sono solidi che hanno atomi di metallo come particelle costituenti, e in genere sono tenuti insieme da forti legami metallici. In un legame metallico, le nuvole di elettroni degli atomi di metallo vicini si sovrappongono, in modo tale che questi elettroni di valenza siano delocalizzati in tutto il solido. I solidi metallici sono talvolta descritti come un reticolo di cationi metallici stazionari in un mare di elettroni delocalizzati.

Ciò si traduce in una struttura interna più flessibile di quella dei solidi molecolari o ionici. I solidi metallici generalmente possono piegarsi e deformarsi senza rompersi, in misura maggiore rispetto agli altri solidi. Come dimostrato dall'oro e dal mercurio, i loro punti di fusione variano ampiamente a seconda della forza dei legami metallici.

Gli elettroni mobili rendono anche questi solidi ottimi conduttori di calore ed elettricità. Gli atomi di solidi metallici puri sono tipicamente disposti, o assemblati"in una delle due configurazioni possibili più efficienti per sfere di dimensioni uniformi:imballaggio chiuso esagonale o imballaggio chiuso cubico. Nell'imballaggio chiuso esagonale, gli atomi di metallo sono disposti esagonalmente in due strati ripetuti, dove gli atomi nel secondo strato occupano le depressioni del primo strato.

Il terzo strato è una ripetizione del primo strato, risultante in una caratteristica disposizione ABAB. Il metallo di zinco presenta un compatto reticolo esagonale o hcp. La sua cella unitaria contiene due atomi che non si trovano sui punti del reticolo.

Nell'assemblaggio chiuso cubico, gli atomi sono disposti esagonalmente in tre strati ripetuti. Gli atomi nel quarto strato si allineano con gli atomi del primo strato, creando una caratteristica disposizione ABCABC. Il rame metallico ha un reticolo cubico compatto, o ccp.

Questo reticolo è anche detto cubico a facce centrate, o fcc, poiché la disposizione è quella di un reticolo cubico, con un atomo identico su ogni punto del reticolo. In entrambi i tipi di aggregazione, ogni atomo ha un numero di coordinazione di dodici. Nell'impilamento hcp, ogni atomo è in contatto diretto con sei atomi dello stesso strato, tre dello strato superiore e tre dello strato sottostante.