Struttura e proprietà dei metalli: dal reticolo cristallino alla conducibilità

Caratteristiche generali dei metalli

Più o meno l’80% degli elementi sono metalli. A temperatura ambiente sono tutti solidi, tranne Hg, e sono caratterizzati da un reticolo cristallino. Hanno basse energie di ionizzazione e quando perdono gli elettroni formano ioni positivi più piccoli rispetto all’atomo neutro.
Come nasce un cristallo metallico? Consideriamo un metallo, come per esempio Na, che ha un elettrone di valenza. Quest’ultimo è l’unico ad avere abbastanza energia per allontanarsi e muoversi liberamente tra gli atomi vicini, mentre gli altri 10 sono attirati fortemente dal nucleo.

Il suo reticolo cristallino è una sequenza ordinata di ioni positivi (Na+) e in mezzo a loro si muovono gli elettroni di valenza degli atomi del cristallo, che sono tutti attratti contemporaneamente dagli ioni positivi. L’insieme degli elettroni di valenza viene definito come una “nube di elettroni mobili”. Gli elettroni di valenza non appartengono più ai singoli atomi, ma sono liberi di muoversi tra i cationi.

Conducibilità e legame metallico

La conducibilità elettrica e termica dei metalli dovuta proprio alla libertà di movimento di questi elettroni: quando si ha un passaggio di corrente elettrica, gli elettroni di valenza si muovono tutti nella stessa direzione. Il legame metallico spiega anche altre caratteristiche dei metalli, come per esempio la duttilità e malleabilità, che sono dovute al fatto che gli elettroni mobili permettono agli ioni positivi di scivolare gli uni sugli altri mantenendo integra la compattezza del metallo.

Questo legame è di tipo cooperativo: gli ioni positivi si dispongono ordinatamente e occupano posizioni quasi fisse nel reticolo riducendo al minimo gli spazi vuoti, mentre gli elettroni di valenza si muovono liberamente da una parte all’altra del cristallo metallico, da un atomo all’altro. Questa nube elettronica avvolge e tiene uniti gli ioni positivi del cristallo.

Il legame metallico è quindi conseguenza dell’attrazione fra gli ioni metallici positivi e gli elettroni mobili che li avvolgono.

Forza del legame nei metalli

Passando da Na ad Al, la forza del legame aumenta, dal momento che aumenta la forza con cui il nucleo attrae gli elettroni esterni (aumenta il numero atomico e quindi aumentano i protoni).

Nei metalli di transizione gli elettroni degli orbitali d ed f partecipano alla formazione della nube di elettroni in diversi modi, e sono responsabili di alcune eccezioni rispetto alle loro caratteristiche generali.

Lungo un periodo, la forza del legame metallico cambia notevolmente: è debole per gli elementi con i livelli di valenza vuoti (Cs) o quasi pieni (Hg) e forti per quelli con livello semipieno (W); infatti, la temperatura di fusione aumenta lungo il periodo 6 man mano che si procede fino a W, per poi diminuire.