Legame metallico

Probabilmente in casa vostra c'è del cloruro di sodio (NaCl). Lo conoscete come sale da cucina. Sebbene i cristalli presenti nella saliera siano generalmente piccoli, è possibile ottenere cristalli più grandi in casa semplicemente riscaldando una soluzione di sale saturo e lasciandola raffreddare. Questi cristalli saranno duri e fragili. Il sodio metallico puro, invece, è morbido e malleabile. Si può tagliare facilmente con un coltello da burro. Cosa rende il sodio così fisicamente diverso quando è da solo?

Che cos'è il legame metallico?

I metalli possono formare composti con i non metalli donando gli elettroni del loro guscio esterno (per maggiori informazioni, vedere Legame ionico). I metalli formano ioni positivi mentre i non metalli, che accettano gli elettroni, formano ioni negativi. Tuttavia, se un metallo è da solo, non può donare elettroni perché non c'è nessun atomo non metallico che possa accettarli. Invece, fa qualcos'altro: si lega metallicamente.

Vediamo di scomporre ed esplorare insieme ogni termine.

Elettroni delocalizzati

Quando gli atomi metallici si legano tra loro, gli orbitali degli elettroni del guscio esterno si fondono. Gli elettroni non sono più confinati in un particolare atomo e sono liberi di muoversi all'interno degli orbitali fusi, che formano una regione che si estende per tutto il metallo. Si dice che questi elettroni sono delocalizzati e che formano un mare di delocalizzazione.

Attrazione elettrostatica

Gli atomi metallici formano ioni con carica positiva, poiché non sono più associati agli elettroni del loro guscio esterno.

Gli ioni positivi sono quindi attratti dal mare negativo di elettroni per attrazione elettrostatica, proprio come avviene nei composti ionici. L'attrazione si diffonde in tutto il metallo, formando così una struttura reticolare gigante. "Gigante" significa semplicemente che è composto da un numero elevato ma indeterminato di atomi e "reticolo" significa che contiene una disposizione ripetuta.

Sebbene il metallo contenga ioni positivi, nel complesso non sono stati persi elettroni. Sono semplicemente delocalizzati all'interno della struttura del metallo. Pertanto, i metalli hanno una carica neutra e li rappresentiamo utilizzando solo il loro simbolo chimico. Ad esempio, la formula molecolare del sodio è Na.

Fig. 1 - Un diagramma che mostra il legame in un metallo

Torniamo all'esempio del sodio, Na. Il sodio ha la configurazione elettronica . Quando gli atomi di sodio si legano tra loro, i loro orbitali 3s si fondono e l'elettrone di valenza all'interno dell'orbitale di ciascun atomo è libero di muoversi nella nuova regione fusa. Questo lascia ioni positivi con una carica di +1 circondati da un mare di elettroni delocalizzati, come mostrato di seguito.

Fig. 2 - Il legame nel sodio, Na. Ogni ione di sodio è attratto dal mare di delocalizzazione che lo circonda per attrazione elettrostatica.

Il berillio, invece, ha la configurazione elettronica e ha due elettroni di valenza. Ogni atomo di berillio perde due elettroni dal suo guscio esterno per formare ioni con una carica di +2.

Fig. 3 - Il legame nel Berillio.

Fattori che influenzano la forza del legame metallico

Uno ione positivo con una carica maggiore sarà più attratto dal mare negativo di elettroni rispetto a uno con una carica minore. Ricordiamo che un legame metallico è semplicemente l'attrazione elettrostatica tra gli ioni positivi del metallo e il mare di elettroni delocalizzati, quindi questo crea un legame più forte.

L'alluminio, ad esempio, perde tre elettroni di valenza per formare uno ione con carica +3. Il magnesio, invece, perde solo due elettroni per formare uno ione con carica +2, quindi ha legami metallici molto più deboli.

Dimensione di uno ione

Nei metalli con ioni più grandi, il nucleo positivo è molto più lontano dagli elettroni delocalizzati. Questo indebolisce l'attrazione elettrostatica tra loro. Ad esempio, gli ioni positivi del magnesio e del calcio hanno entrambi la stessa carica, ma il calcio contiene ioni molto più grandi e quindi ha legami metallici più deboli.

Proprietà dei metalli

Grazie alla loro particolare disposizione di ioni positivi all'interno di un mare di elettroni delocalizzati, i metalli hanno alcune proprietà che li differenziano dai composti ionici e covalenti. Utilizziamo il rame, ad esempio, per costruire fili e tubi. Non useremmo mai composti ionici come il cloruro di sodio. Si dissolverebbero se inumiditi e non condurrebbero l'elettricità quando sono solidi. Inoltre, i composti ionici sono fragili e si rompono facilmente se sollecitati.

Tuttavia, i metalli sono molto diversi.

• Hanno punti di fusione e di ebollizione elevati. Ciò è dovuto alla forza dell'attrazione elettrostatica che si estende a tutto il metallo. Tutti i fattori sopra descritti che aumentano la forza del legame metallico aumentano i punti di fusione e di ebollizione di un metallo.
• Sono duttili, cioè possono essere allungati in fili, e malleabili, cioè possono essere martellati. Questo perché gli ioni positivi formano file regolari all'interno del mare di elettroni che possono rotolare l'uno sull'altro senza problemi.
• Non sono fragili e sono generalmente forti. Anche in questo caso, le file di ioni metallici mantengono i loro legami con gli elettroni delocalizzati quando scivolano l'uno sull'altro.
• Sono buoni conduttori di calore e di elettricità, poiché gli elettroni delocalizzati sono liberi di muoversi all'interno del metallo e di portare una carica. I metalli che formano ioni con cariche più elevate hanno un maggior numero di elettroni delocalizzati e quindi sono migliori conduttori rispetto ai metalli con ioni a carica più bassa.
• Sono insolubili.

Leghe

Sappiamo che il sodio è relativamente morbido. Anche il ferro puro lo è. Questo crea problemi nella realizzazione di prodotti utili a partire dai metalli. I chiodi di ferro non sarebbero molto utili se si potessero facilmente piegare e deformare. Per rendere i metalli puri più resistenti, li trasformiamo in leghe.

Gli atomi di dimensioni diverse del secondo elemento in una lega disturbano le file regolari di ioni metallici, impedendo loro di scivolare l'uno sull'altro e rendendoli così molto più duri. Il ferro contiene spesso quantità accuratamente controllate di carbonio, e anche l'acciaio è una comune lega di ferro.

Fig. 4 - Gli atomi di una lega. In questo caso, gli atomi più piccoli disturbano la struttura reticolare regolare degli atomi metallici più grandi, impedendo loro di scivolare l'uno sull'altro. Questo rafforza il composto