Definizione, proprietà ed esempi di legame metallico

Un legame metallico è un tipo di legame chimico formato tra atomi carichi positivamente in cui gli elettroni liberi sono condivisi tra un reticolo di cationi. Al contrario, i legami covalenti e ionici si formano tra due atomi discreti. Il legame metallico è il principale tipo di legame chimico che si forma tra gli atomi di metallo.

MARK GARLICK / BIBLIOTECA FOTOGRAFICA / Getty Images

I legami metallici si osservano nei metalli puri e nelle leghe e in alcuni metalloidi. Ad esempio, il grafene (un allotropo di carbonio) presenta un legame metallico bidimensionale. I metalli, anche quelli puri, possono formare altri tipi di legami chimici tra i loro atomi. Ad esempio, lo ione mercuroso (Hg₂²⁺) può formare legami covalenti metallo-metallo. Il gallio puro forma legami covalenti tra coppie di atomi che sono collegati da legami metallici alle coppie circostanti.

Come funzionano i legami metallici

I livelli di energia esterna degli atomi di metallo (il S e p orbitali) si sovrappongono. Almeno uno degli elettroni di valenza che partecipano a un legame metallico non è condiviso con un atomo vicino, né è perso per formare uno ione. Invece, gli elettroni formano quello che può essere definito un "mare di elettroni" in cui gli elettroni di valenza sono liberi di spostarsi da un atomo all'altro.

Il modello a mare di elettroni è una semplificazione eccessiva del legame metallico. I calcoli basati sulla struttura della banda elettronica o sulle funzioni di densità sono più accurati. Il legame metallico può essere visto come una conseguenza di un materiale che ha molti più stati di energia delocalizzata di quanto non abbia elettroni delocalizzati (carenza di elettroni), quindi gli elettroni non accoppiati localizzati possono diventare delocalizzati e mobili. Gli elettroni possono cambiare gli stati energetici e muoversi attraverso un reticolo in qualsiasi direzione.

Il legame può anche assumere la forma di una formazione di cluster metallici, in cui gli elettroni delocalizzati scorrono attorno a nuclei localizzati. La formazione del legame dipende fortemente dalle condizioni. Ad esempio, l'idrogeno è un metallo ad alta pressione. Quando la pressione viene ridotta, il legame cambia da covalente metallico a non polare.

Correlare le obbligazioni metalliche con le proprietà metalliche

Poiché gli elettroni sono delocalizzati attorno a nuclei carichi positivamente, il legame metallico spiega molte proprietà dei metalli.

ImageGap / Getty Images

Conduttività elettrica: La maggior parte dei metalli sono eccellenti conduttori elettrici perché gli elettroni nel mare degli elettroni sono liberi di muoversi e trasportare carichi. Non metalli conduttivi (come la grafite), composti ionici fusi e composti ionici acquosi conducono elettricità per la stessa ragione per cui gli elettroni sono liberi di muoversi.

Conduttività termica: I metalli conducono calore perché gli elettroni liberi sono in grado di trasferire energia lontano dalla fonte di calore e anche perché le vibrazioni degli atomi (fononi) si muovono attraverso un metallo solido come un'onda.

Duttilità: I metalli tendono ad essere duttili o possono essere trascinati in fili sottili perché i legami locali tra gli atomi possono essere facilmente rotti e riformati. Singoli atomi o interi fogli di essi possono scivolare uno accanto all'altro e riformare i legami.

Malleabilità: I metalli sono spesso malleabili o in grado di essere modellati o martellati in una forma, sempre perché i legami tra gli atomi si rompono e si riformano rapidamente. La forza di legame tra i metalli è non direzionale, quindi è meno probabile che disegnare o modellare un metallo possa fratturarlo. Gli elettroni in un cristallo possono essere sostituiti da altri. Inoltre, poiché gli elettroni sono liberi di allontanarsi l'uno dall'altro, lavorare un metallo non forza insieme ioni simili a carica, che potrebbero fratturare un cristallo attraverso la forte repulsione.

Lucentezza metallica: I metalli tendono ad essere lucidi o presentare lucentezza metallica. Sono opachi una volta raggiunto un certo spessore minimo. Il mare degli elettroni riflette i fotoni sulla superficie liscia. C'è un limite di frequenza superiore alla luce che può essere riflessa.

La forte attrazione tra gli atomi nei legami metallici rende i metalli forti e conferisce loro alta densità, alto punto di fusione, alto punto di ebollizione e bassa volatilità. Ci sono eccezioni Ad esempio, il mercurio è un liquido in condizioni normali e ha un'alta pressione di vapore. In effetti, tutti i metalli nel gruppo zinco (Zn, Cd e Hg) sono relativamente volatili.

Quanto sono forti i legami metallici?

Poiché la forza di un legame dipende dai suoi atomi partecipanti, è difficile classificare i tipi di legami chimici. I legami covalenti, ionici e metallici possono essere tutti forti legami chimici. Anche nel metallo fuso, l'incollaggio può essere forte. Il gallio, ad esempio, non è volatile e ha un alto punto di ebollizione anche se ha un basso punto di fusione. Se le condizioni sono giuste, l'incollaggio metallico non richiede nemmeno un reticolo. Questo è stato osservato negli occhiali, che hanno una struttura amorfa.