Appunti sui solidi e il legame metallico

Possono essere a bassa energia di coesione (metalli alcalini) ma anche a energia di coesione elevata

(metalli di transizione).

Proprietà:

durezza da molto elevata a molto bassa

● temperatura di fusione da molto elevata a molto bassa

● insolubili in acqua e in qualsiasi altro solvente

● elevata conducibilità elettrica (e termica) in fase solida (maggiore a bassa T)

●

Polimorfismo

Una stessa sostanza può cristallizzare in più di un sistema cristallografico ciascuno stabile solo in

determinate condizioni di temperatura e pressione.

Sostanze semplici (elementari) come Zolfo, Fosforo o Carbonio allotropia

→

il carbonio esiste in diverse forme allotropiche: diamante, grafite, fullerene… sono allotropi di C

→

Sostanze composte come Al2O3, TiO2 … polimorfismo

→

anatasio, rutilo e brookite sono polimorfi del biossido di titanio

→

Difetti nei solidi

sostituzionali: coinvolgono posizioni reticolari

● interstiziali: coinvolgono posizioni non reticolari

● estrinseci: presenza nel reticolo di atomi estranei si può parlare di drogaggio (aggiunte

● →

intenzionali) o di impurezza (presenza indesiderata)

intrinseci: presenza di vacanze si può parlare di difetto di Schottky (sia il catione che

● →

l’anione risultano assenti dal reticolo) o di difetto di Frenkel (uno ione si sposta da una

posizione regolare ad uno interstiziale

La presenza di difetti può alterare radicalmente le proprietà chimico-fisiche di un solido.

Esempi: il biossido di titanio perfettamente stechiometrico è un solido bianco la presenza di

→

vacanze di ossigeno (difetto intrinseco) induce colorazione blu e ne altera le proprietà elettriche; il

triossido di dialluminio è un solido bianco con molte applicazioni industriali l’inserzione di

→

alcuni atomi di Cr in posizione sostituzionale porta alla formazione dei rubini.

LEGAME METALLICO E SEMICONDUTTORI

I metalli, a temperatura ambiente, si trovano allo stato solido (eccetto il mercurio che è liquido).

Sono buoni conduttori di calore ed elettricità, hanno un aspetto lucente, sono in genere molto

resistenti e malleabili.

Presentano sempre strutture cristalline molto compatte in cui un atomo può legarsi con un elevato

numero di altri atomi (fino a 12); hanno un numero limitato di elettroni di valenza strutture che

→

non possono essere spiegate da teoria del legame ionico o covalente

Teoria del legame metallico

reticolo costituito dai nuclei dell’elemento; gli elettroni sono condivisi con tutti gli atomi del pezzo

di metallo→ gli elettroni sono liberi di muoversi per tutto l’oggetto metallico

La teoria del legame metallico ci permette di spiegare le proprietà dei metalli: poiché i legami non

hanno carattere direzionale, i metalli si deformano in seguito a sollecitazione meccanica→ duttili e

malleabili.

Inoltre, il fatto che gli elettroni siano liberi di muoversi nello spazio, conferiscono ai metalli

un’elevata conducibilità elettrica; il moto degli elettroni è ostacolato dalla presenza dei nuclei, che

hanno carica positiva se facciamo passare corrente in un metallo, esso si scalda, come

→

conseguenza degli urti degli elettroni contro il reticolo

aumentando la temperatura, aumentano i moti reticolari che ostacolano la migrazione degli

→

elettroni, mentre se la diminuisce gli elettroni sono più liberi di fluire attraverso il materiale.

Teoria delle bande

Un’altra teoria per descrivere i metalli è la teoria delle bande.

Gli atomi che formano un cristallo metallico combinano i propri orbitali atomici di valenza così da

formare orbitali molecolari di legame e di antilegame che vengono occupati dagli elettroni di

valenza. A mano a mano che si aumentano il numero di atomi aumenta il numero di orbitali

molecolari→ a causa dell’elevato numero di orbitali atomici combinati, gli orbitali molecolari che si

ottengono sono caratterizzati da livelli energetici sempre più vicini: la differenza tra l’ultimo strato

pieno e il primo vuoto diminuisce al crescere degli elettroni.

gli strati iniziano a sovrapporsi (dal punto di vista energetico) e non si hanno più orbitali isolati,

→

ma

si inizia ad avere delle bande di valenza, che sono piene di tutti gli elettroni che si stanno portando

dietro gli atomi