Introduzione alla chimica

Termini

• Metalloqualsiasi numero di elementi chimici nella tavola periodica che formano un legame metallico con altri atomi di metallo. È generalmente lucido, malleabile e conduttore di calore ed elettricità.
• legame chimico metallico in cui gli elettroni mobili sono condivisi su molti nuclei; questo porta alla conduzione elettrica.

Proprietà metalliche

In un metallo, gli atomi perdono facilmente elettroni per formare ioni positivi (cationi). Questi ioni sono circondati da elettroni delocalizzati, che sono responsabili della conduttività. Il solido prodotto è tenuto insieme dalle interazioni elettrostatiche tra gli ioni e la nube di elettroni. Queste interazioni sono chiamate legami metallici. Il legame metallico rappresenta molte proprietà fisiche dei metalli, come resistenza, malleabilità, duttilità, conduttività termica ed elettrica, opacità e lucentezza.

Inteso come condivisione di elettroni “liberi” tra un reticolo di ioni caricati positivamente (cationi), il legame metallico è talvolta paragonato al legame di sali fusi; tuttavia, questa visione semplicistica vale per pochissimi metalli. In una visione quantomeccanica, gli elettroni conduttori diffondono la loro densità in modo uguale su tutti gli atomi che funzionano come entità neutre (non cariche).

Gli atomi nei metalli sono disposti come sfere strettamente imballate e due modelli di imballaggio sono particolarmente comuni: cubico centrato sul corpo, in cui ogni metallo è circondato da otto metalli equivalenti, e cubico centrato sul viso, in cui i metalli sono circondati da sei atomi vicini. Diversi metalli adottano entrambe le strutture, a seconda della temperatura.

I metalli in generale hanno un’elevata conduttività elettrica, un’elevata conduttività termica e un’alta densità. In genere sono deformabili (malleabili) sotto stress, senza fendere. Alcuni metalli (i metalli alcalini e alcalino-terrosi) hanno bassa densità, bassa durezza e bassi punti di fusione. In termini di proprietà ottiche, i metalli sono opachi, lucidi e brillanti.

Punto di fusione e forza

La forza di un metallo deriva dall’attrazione elettrostatica tra il reticolo di ioni positivi e il “mare” di elettroni di valenza in cui sono immersi. Maggiore è la carica nucleare (numero atomico) del nucleo atomico e minore è la dimensione dell’atomo, maggiore è questa attrazione. In generale, i metalli di transizione con i loro elettroni a livello di valenza d sono più forti e hanno punti di fusione più elevati:

• Fe, 1539°C
• Re, 3180 °C
• Os, 2727 °C
• W, 3380°C.

La maggior parte dei metalli ha densità più elevate rispetto alla maggior parte dei non metalli. Tuttavia, vi è un’ampia variazione nelle densità dei metalli. Il litio (Li) è l’elemento solido meno denso e l’osmio (Os) è il più denso. I metalli dei gruppi IA e IIA sono indicati come metalli leggeri perché sono eccezioni a questa generalizzazione. L’alta densità della maggior parte dei metalli è dovuta al reticolo cristallino strettamente imballato della struttura metallica.

Conducibilità elettrica: perché i metalli sono buoni conduttori?

Affinché una sostanza conduca elettricità, deve contenere particelle cariche (portatori di carica) sufficientemente mobili da muoversi in risposta a un campo elettrico applicato. Nel caso di composti ionici in soluzioni acquose, gli ioni stessi svolgono questa funzione. La stessa cosa vale per i composti ionici quando fusi. I solidi ionici contengono gli stessi portatori di carica, ma poiché sono fissati in posizione, questi solidi sono isolanti.

Nei metalli, i portatori di carica sono gli elettroni e, poiché si muovono liberamente attraverso il reticolo, i metalli sono altamente conduttivi. La massa molto bassa e l’inerzia degli elettroni consente loro di condurre correnti alternate ad alta frequenza, qualcosa che le soluzioni elettrolitiche non possono fare.

La conduttività elettrica, così come il contributo degli elettroni alla capacità termica e alla conduttività termica dei metalli, possono essere calcolati dal modello a elettroni liberi, che non tiene conto della struttura dettagliata del reticolo ionico.

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche dei metalli includono malleabilità e duttilità, ovvero la capacità di deformazione plastica. La deformazione elastica reversibile nei metalli può essere descritta dalla Legge di Hooke per il ripristino delle forze, in cui la sollecitazione è linearmente proporzionale alla deformazione. Il calore applicato, o forze superiori al limite elastico, può causare una deformazione irreversibile dell’oggetto, nota come deformazione plastica o plasticità.

I solidi metallici sono noti e apprezzati per queste qualità, che derivano dalla natura non direzionale delle attrazioni tra i nuclei atomici e il mare di elettroni. Il legame all’interno di solidi ionici o covalenti può essere più forte, ma è anche direzionale, rendendo questi solidi fragili e soggetti a frattura quando colpiti con un martello, per esempio. Un metallo, al contrario, è più probabile che sia semplicemente deformato o ammaccato.

Sebbene i metalli siano neri a causa della loro capacità di assorbire tutte le lunghezze d’onda allo stesso modo, l’oro (Au) ha un colore distintivo. Secondo la teoria della relatività speciale, l’aumento della massa di elettroni del guscio interno che hanno un momento molto elevato fa sì che gli orbitali si contraggano. Poiché gli elettroni esterni sono meno colpiti, l’assorbimento della luce blu aumenta, con conseguente maggiore riflessione della luce gialla e rossa.