Appunti di chimica su Legame metallico e conduzione dei metalli

Il legame metallico

È il legame che interessa gli elementi metallici (in particolare i metalli di transizione). È il legame che tiene uniti gli atomi degli elementi metallici all’interno del solido.

Per descriverlo vi sono 2 diversi modelli:

1. Modello di Drude (descrittivo - qualitativo)

Si basa sul fatto che gli atomi metallici “perdano” facilmente gli elettroni più esterni trasformandosi in ioni positivi (poiché i metalli hanno bassa energia di ionizzazione).

I “perdono” è perché gli elettroni non scompaiono, ma che non sono più disponibili per il singolo atomo.

Si “sciolgono” ai suoi ioni positivi e spontaneamente costruiscono il metallo a mare di elettroni.

Secondo il principio del massimo imballamento:

Si accostano in modo da disporre il minor spazio possibile assumendo posizioni ben definite e simmetriche e si inseriscono in strutture geometriche precise. Tali strutture, orientate secondo una direzione di un elemento di base detto cella elementare.

Il numero di cationi (ioni positivi) che si accostano ad un singolo catione è detto numero di coordinazione (n.c.).

Tale struttura determina le caratteristiche tipiche dei metalli:

• Elevata densità - I metalli sono più densi rispetto gli altri materiali e ciò deriva dalla struttura a mare di elettroni che tiene insieme il numero elevato di atomi. (maggiore è il numero di coordinazione, maggiore sarà la densità del metallo)
• Resistenza dei metalli e duttilità e malleabilità - I metalli reagiscono alle sollecitazioni meccaniche con la deformazione e non con la rottura. Ciò dipende dall'aderizionalità del legame.

Infatti, il legame metallico è costituito da ioni che possono muoversi all’interno del mare di elettroni, senza spezzarlo.

Il legame ionico costituiva ioni positivi e negativi in una struttura ad ordine preciso, si spezza se gli ioni non mantengono la propria posizione (legame direzionale).

• Conducibilità - Gli elettroni che sono liberi di muoversi fanno sì che i metalli siano ottimi conduttori.

Il legame metallico

È il legame che interessa gli elementi metallici (in particolare i metalli di transizione). È il legame che tiene uniti gli atomi degli elementi metallici all'interno del solido.Per descriverlo vi sono 2 diversi modelli:

1. Modello di Drude

   (descrittivo - qualitativo)Si basa sul fatto che gli atomi metallici "perdano" facilmente gli elettroni più esterni. Trasformandosi in ioni positivi (perché metalli hanno bassa energia di ionizzazione)."perdano" = perdere gli elettroni non significa che questi scompaiano ma che non sono più disponibili per il singolo atomo di muoversi liberamente elettroni delicatizzati in tutta la superficie del metallo, fungendo da "collante" tra vari ioni positivi e garantendo la neutralità del sistema = modello a mare di elettroni.Vengono infatti selezionati secondo il principio del massimo impacchettamento = disposizione in modo da occupare il minor spazio possibile assumere una disposizione geometrica (cubi e es. di tetraetri, geometrico) presene: Tali strutture, geometriche, sono una ripetizione di un ELEMENTO DI BASE detto CELLA ELEMENTARE.Il numero di cationi (ioni positivi) che sono attigui ad un singolo catione è detto numero di coordinazione (N.c).

   Tale struttura determina le caratteristiche tipiche dei metalli:

   • ELEVATA DENSITÀ → i metalli sono più densi rispetto gli altri materiali e ciò deriva dalla struttura a mare di elettroni che tiene insieme un numero elevato di atomi. (maggiore è il numero di coordinazione, maggiore sarà la densità del metallo).
   • RESISTENZA DEI METALLI e DUTILITÀ E MALLEABILITÀ → i metalli reagiscono alle sollecitazioni meccaniche con le deformazioni e non con la rottura. Ciò dipende dall'ADIREZIONALITÀ del legame.

   Infatti, il legame metallico è costituito da ioni che possono muoversi all'interno del mare di elettroni senza spezzarsi.Il legame ionico, costituito da ioni positivi e negativi con una struttura ad ordine preciso, si spezza., se gli ioni non mantengono la propria posizione (LEGAME DIREZIONATO).

   • CONDICILITÀ → gli elettroni che sono liberi di muoversi fanno si che i metalli siano ottimi conduttori.

2. MODELLO A BANDE o TEORIA DI BLOCH

È l'applicazione della TEORIA DELL'ORBITALE MOLECOLARE ai METALLI.Parte dal presupposto che, partendo da n orbitale atomici, si ottiene n orbitali molecolari, di cui n₁/₂ sono di legame ed n₁/₂ di antilegame. Tali orbitali molecolari saranno delocalizzati su tutto il reticolo e provendo da un numero elevato di orbitali atomici, i livelli energetici degli orbitali molecolari sono talmente ravvicinati che formano una BANDA CONTINUA (sets di bande, per p più orbite bonding) Infatti non vi sono più salti di quantizzazione dell'energia perché nella banda la differenza energetica tra ciascun orbitale è minima.

FORZA DEL LEGAME maggiore è la differenza tra il numero di elettroni negli orbitali di legame ed il numero di elettroni in quelli di antilegame più forte sarà il legame metallico modello più denso e resistente

Le bande possono rimanere separate o sovrapposte tra loro:

• BANDA DI VALENZA le bande di orbitali piani esterni (più bassi eneg)
• BANDA DI CONDUZIONE le bande di orbitali vuoti (p più alti energy)
• ZONA PROIBITA / BAND GAP intervalli energetici tra le bande di orbitali molecolari saturi (minus n) e le bande di orbitali molecolari vuoti (p furthermore so be e pensable tronare elettrodini
• LIVELLO DI FERMI il livello energetico più elevato occupato da un elettrone (HOM) all'interno delle bande di valenza e alla temperatura dello ZERO ASSOLUTO (ok)

1) LA CONDUZIONE

La caratteristica della conduzione dei metalli può essere spiegata in base alla teoria delle bande. La conduzione interessa le bande di energia degli orbitali molecolari più interni (solidi). Interessa invece:

1. Le bande di valenza occupate sono parzialmente che funge da bande di conduzione (ESEMPIO LITIO)
2. Le bande di valenza sovrapposte parzialmente sovrapposto alla bande di conduzione vuoti (ESEMPIO BERILLIO)

Nel litio le bande di valenza non è completamente piena di elettroni e pertanto funge anche da banda di conduzione: gli elettroni infatti possono muoversi nel metallo e condurre quindi energia.

Aumentando dell’energia, le bande diventano più larghe e più sovrapposte fino a formarsi di bande di valenza (Vedi pag precedente). Nel Berillo ad esempio le bande di valenza si sovrappongono a quella di conduzione permettendo il movimento degli elettroni.

_{Be 1s² 2s²}

Isolanti → Banda di valenza completamente piena

— Banda di conduzione vuota

— Band gap notevolmente esteso tanto da non poter essere superato dagli elettroni Band gap > 4V

Esempio Diamante

— Banda conduzione vuota

— Zona proibita -5.6V

— Banda valenza satura