Il legame metallico: ioni positivi immersi in un mare di elettroni

I metalli  hanno generalmente alto punto di fusione, alta densità, malleabilità, duttilità, buona conduzione del calore e dell’elettricità. I metalli sono costituiti da atomi dello stesso elemento; allo stato solido sono caratterizzati da un reticolo cristallino formato dalla ripetizione indefinita nelle tre dimensioni di atomi dell’elemento. 

L’elevata conduttività dei metalli implica, da un punto di vista strutturale, che sotto l’azione di un campo elettrico esterno gli elettroni del metallo si muovono con una certa facilità incontrando poca resistenza. In altri termini si può dire che almeno una parte degli elettroni è tenuta legata solo debolmente e che basta una minima perturbazione esterna per spostarli. 

Trattandosi di sostanze formate da un solo elemento si potrebbe tentare di trattarle con un modello di legame covalente. Il fatto, però, che gli elettroni siano tenuti solo debolmente, rende poco probabile una trattazione di questo tipo dal momento che una descrizione con legami covalenti fissa gli elettroni nelle zone comprese tra i due nuclei, rendendoli poco mobili.

Pertanto gli elettroni di valenza non sono legati a un particolare nucleo, ma possono muoversi quasi liberamente da uno all’altro.

Tale modello porta a raffigurare il cristallo metallico come formato da ioni positivi fissati nelle posizioni reticolari, tenuti insieme da un “mare” di elettroni fluttuanti.

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Questi elettroni relativamente liberi di muoversi assicurano elevate conduttività e conducibilità termica e, inoltre, anche elevate duttilità e malleabilità: infatti i piani reticolari costituiti da cationi potranno facilmente scivolare l’uno sull’altro, non avendo nessuna barriera di potenziale da superare, dato che i legami non sono direzionali. I metalli sono infatti materiali isotropi presentando le stesse caratteristiche in tutte le direzioni.

Studi condotti, con l’impiego di rggi X, hanno mostrato che i metalli sono tipici solidi cristallini. In particolare, è risultato che le strutture cristalline più comuni dei metalli sono le seguenti:

–          Struttura cubica a facce centrate in cui ogni ione metallico è a diretto contatto con altri dodici ioni uguali come ad esempio l’oro, il rame e il piombo

–          Struttura cubica a corpo centrato, in cui ogni ione è a diretto contatto con altri otto ioni uguali come ad esempio il litio, il sodio e il potassio

–          Struttura esagonale compatta in cui ogni ione del metallo è a diretto contatto con altri dodici ioni uguali come il magnesio

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Una esauriente spiegazione delle proprietà dei metalli fu fornita da Bloch mediante una teoria basata sui principi matematici dedotti dalla Meccanica quantistica che ha preso il nome di teoria delle bande.

Teoria delle bande

Consideriamo infatti due atomi di litio la cui configurazione elettronica è 1s2,2s1

E’ possibile la formazione di una molecola biatomica di litio Li2 in quanto risulta che:

Numero di atomi isolati di litio = 2

Numero di orbitali atomici di partenza = 4 (due orbitali atomici per ciascun atomo)

Numero di orbitali molecolari ottenuti = 4 (orbitali di legame σ e due di orbitali di antilegame σ*)

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Author: Chimicamo

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