Metalli
Le caratteristiche dei metalli che maggiormente li distinguono sono la
capacità di condurre la corrente elettrica (una proprietà che diminuisce al
crescere della temperatura), la elevata conducibilità termica e il notevole
potere di riflettere la luce che incide su una loro superficie pulita, un
effetto questo noto comunemente come lucentezza metallica. Inoltre, la maggior
parte dei metalli si deforma, anziché rompersi, in seguito a un urto o a
un'elevata pressione. I metalli che possono essere ridotti in lamine si chiamano
malleabili; quelli che possono
essere tirati in fili vengono detti duttili.
Alcune proprietà, come la durezza e la resistenza meccanica, non sono comuni a
tutti i metalli; alcuni sono in effetti abbastanza morbidi da essere scalfiti
con un'unghia o deformati manualmente.
A tutti i metalli sono comuni certe proprietà chimiche. Gli
ossidi metallici reagiscono con l'acqua per formare soluzioni basiche
(alcaline); per questo sono detti ossidi basici. E'
una caratteristica dei metalli quella di combinarsi con i non metalli per
formare composti ionici nei quali lo ione metallico è sempre positivo e lo ione
non metallico è sempre negativo.
Metalli diversi possono essere spesso fusi insieme per dar luogo a nuovi
sistemi di tipo metallico, detti leghe. Le leghe di due o più metalli possono
essere descritte mediante formule di composizione largamente variabili, e di
solito hanno proprietà fisiche considerevolmente diverse da quelle dei singoli
componenti. Attraverso una scelta attenta dei componenti si può fare in modo
che una lega abbia elevata durezza, tenacità, resistenza meccanica e resistenza
alla corrosione.
Tra le leghe più comuni figurano l'ottone (rame e zinco), il bronzo (rame e
stagno), l'acciaio inossidabile (ferro, carbonio, cromo e nichel) e la lega per
saldature (piombo e stagno). Quest'ultima ha una composizione scelta
appositamente per le particolari proprietà meccaniche; la lega per saldature
elettriche impiega gli stessi elementi, ma la composizione percentuale è scelta
in modo da avere la temperatura di fusione più bassa possibile.
Gli elementi che nella tavola periodica si trovano sulla linea di divisione
tra i metalli e i non metalli vengono detti semimetalli e possiedono proprietà
fisiche e chimiche intermedie tra i due estremi. Sono
semimetalli il boro, il silicio, il germanio, l'arsenico, l'antimonio, il
selenio e il tellurio. Spesso hanno un aspetto brillante e metallico, ma
sono fragili e hanno proprietà elettriche totalmente diverse da quelle dei
metalli. Il germanio e il silicio sono semiconduttori e hanno conducibilità
elettrica diversa sia da quella dei metalli che da quella degli isolanti. A
differenza dei metalli, infatti, la conducibilità dei semiconduttori aumenta ad
alta temperatura; inoltre essi sono estremamente sensibili alla presenza di
impurezze a livello di tracce, fatto di estrema importanza nell'impiego di
queste sostanze per la realizzazione di dispositivi elettronici a stato solido.
Gli atomi degli elementi metallici differiscono sotto molti importanti
aspetti da quelli dei non metalli e dei semimetalli. In genere hanno un'affinità
piuttosto bassa per gli elettroni. Essi
possiedono i più bassi potenziali di ionizzazione e le più basse
elettronegatività fra tutti gli elementi.
Il potenziale di ionizzazione
è una misura di quanto strettamente un atomo tiene legati i suoi elettroni:
corrisponde, infatti, alla quantità di energia necessaria per separare un
elettrone dall'atomo.
L'elettronegatività è una
grandezza in relazione con l'attrazione che un atomo esercita sugli elettroni
quando è in combinazione con altri elementi: è la capacità che ha un atomo in
una molecola di attrarre gli elettroni verso di sé.
Una proprietà strettamente collegata alle precedenti è il raggio
atomico, che è, nei metalli, in proporzione più grande rispetto a
quello dei non metalli e dei semimetalli. Poiché gli elettroni dell'atomo di un
metallo sono legati più debolmente (il potenziale di ionizzazione è più
basso), essi hanno la possibilità di allontanarsi di più dal nucleo, così che
l'atomo viene ad avere dimensioni efficaci più ampie in proporzione alla sua
popolazione elettronica.
Queste proprietà atomiche aiutano a comprendere gran parte del comportamento
chimico caratteristico dei metalli. Gli ossidi metallici sono sostanze
cristalline costituite da ioni metallici positivi e ioni ossigeno negativi. Lo
ione ossido, è una base forte che, quando è libera, si combina con l'acqua per
dar luogo a ioni ossidrile e, conseguentemente, a soluzioni basiche (alcaline)
(vedi acidi e basi).
Benché la reattività degli elementi metallici sia assai variabile, tutti
questi elementi possono essere indotti con relativa facilità a cedere elettroni
per formare ioni positivi; cioè, quasi tutti i metalli possono essere ossidati
in condizioni moderate. Questo fatto può essere spiegato in base alla
combinazione di più fattori, come è illustrato dall'esempio del sodio
metallico che si ossida facilmente. L'unico elettrone di valenza posseduto da un
atomo di sodio è legato debolmente (e inoltre tiene legati insieme gli atomi
nel metallo solo debolmente) e dà un notevole contributo al volume dell'atomo
nel suo complesso. Per allontanare questo elettrone è sufficiente poca energia
e lo ione sodio che così si ottiene ha un raggio molto più piccolo. L'energia
spesa per ionizzare l'atomo neutro è più che riguadagnata negli effetti
combinati della cattura dell'elettrone da parte della specie ossidante e
nell'alta forza di attrazione coulombiana tra il piccolo ione positivo e gli
ioni negativi in un solido oppure le molecole d'acqua fortemente polari in una
soluzione. I metalli che vengono ossidati meno facilmente del sodio hanno
potenziali di ionizzazione più alti, i loro atomi sono legati insieme più
strettamente nel reticolo cristallino e mostrano una contrazione del volume meno
marcata quando vengono ionizzati.
Circa i tre quarti degli elementi chimici conosciuti sono metalli. Gli
elementi metallici sono elencati qui di seguito in funzione della loro posizione
nella tavola periodica e delle loro configurazioni elettroniche caratteristiche.
I metalli di questo raggruppamento hanno gli elettroni di valenza negli
orbitali s e p.
Gruppo IA
|
un elettrone di valenza in un orbitale s
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litio, sodio, potassio, rubidio, cesio, francio.
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Gruppo IIA
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due elettroni di valenza in un orbitale s
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berillio, magnesio, calcio, stronzio, bario, radio.
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Gruppo IIIB
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due elettroni di valenza in un orbitale s, uno in un orbitale p
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alluminio, gallio, indio, tallio.
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Gruppo IVB
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due elettroni di valenza in un orbitale s, due in un orbitale p
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stagno, piombo.
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Gruppo VB
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due elettroni di valenza in un orbitale s, tre in un orbitale p
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bismuto
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Gruppo VIB
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due elettroni di valenza in un orbitale s, quattro in un orbitale p
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polonio
|
La più numerosa famiglia di metalli è quella degli elementi di
transizione, comprendente 33 membri; in essa gli elettroni di valenza sono
disposti secondo regole non semplici negli orbitali d ed s. La famiglia è stata
suddivisa in otto gruppi, in base a considerazioni non molto rigorose sulla
valenza.
Gruppo IIIA: scandio, ittrio, lantanio, attinio.
Gruppo IVA: titanio, zirconio, afnio.
Gruppo VA: vanadio, niobio, tantalio.
Gruppo VIA: cromo, molibdeno, wolframio.
Gruppo VIIA: manganese, tecnezio, renio.
Gruppo VIIIA: ferro, cobalto, nichel, rutenio, rodio, palladio, osmio, iridio,
platino.
Gruppo IA: rame, argento, oro.
Gruppo IIA: zinco, cadmio, mercurio.
Gli elettroni di valenza in questi metalli sono disposti secondo regole
complicate negli orbitali f e s.
Lantanidi: cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio,
terbio, disprosio, olmio, erbio, tulio, itterbio, lutezio.
Attinidi: torio, protoattinio, uranio, nettunio, plutonio, americio, curio,
berkelio, californio, einstenio, fermio, mendelevio, nobelio, lawrenzio.
Molti metalli possiedono una struttura atomica notevolmente semplice allo
stato solido (struttura cristallina), nella quale ciascun atomo è circondato da
tanti altri quanti ne è geometricamente possibile. Le disposizioni atomiche
più comuni sono tre: la esagonale compatta (hcp), la cubica a facce centrate (fcc)
e la cubica a corpo centrato (bcc). Ciascuna di esse può essere meglio
visualizzata immaginando che gli atomi siano delle sfere rigide, identiche tra
loro. Nelle prime due strutture gli atomi sono disposti secondo strati a stretto
impacchettamento seguendo uno schema esagonale (o a nido d'ape); in ciascuno
strato ogni atomo possiede sei primi vicini, che sono direttamente a contatto
con esso. In entrambe le strutture gli strati sono disposti uno sopra all'altro
in modo tale che ogni atomo venga ad avere, in aggiunta ai sei già menzionati,
tre atomi a contatto con esso nello strato inferiore e tre nello strato
superiore, per un totale complessivo di dodici. Le strutture esagonale e cubica
a facce centrate differiscono solo per il modo in cui gli strati contigui sono
posti uno sopra all'altro (cioè i piani sono diversamente sfalsati); in
entrambe queste strutture si raggiunge il massimo numero di primi vicini per
ciascun atomo e il massimo impacchettamento (cioè lo spazio vuoto residuo è
minimo). La struttura hcp dà
luogo a un reticolo cristallino con una cella unitaria esagonale, mentre la struttura
fcc dà un reticolo con una cella unitaria cubica a facce centrate.
La struttura cubica a corpo centrato non dà luogo a un riempimento dello spazio
altrettanto elevato, ma permette agli atomi di collocarsi a distanze leggermente
inferiori. Ciascun atomo è circondato da otto primi vicini, disposti ai vertici
di un cubo. Vi sono sei secondi vicini posti accanto attraverso le sei facce del
cubo (gli atomi centrali dei sei cubi adiacenti), a una distanza tra i centri
degli atomi che è solo del 15% superiore alla distanza di contatto, per un
totale di 14 atomi vicini. Non è infrequente che un metallo cristallizzi
secondo una di queste forme a bassa temperatura e in una forma diversa ad alta
temperatura.
Poiché la maggior parte degli atomi
dei metalli ha pochi elettroni di valenza e numerosi altri atomi a
contatto allo stato solido, è chiaro che i cristalli metallici non possono
essere tenuti insieme da singoli legami covalenti a due elettroni tra ciascuna
coppia di atomi. Il legame nei metalli
allo stato solido è molto diverso da quello delle sostanze ioniche o covalenti.
La maggior parte delle proprietà caratteristiche dei metalli deriva da queste
differenze di legame.
La teoria più semplice del legame metallico è detta dell'elettrone
libero, o modello del gas di elettroni. Si suppone che gli atomi del
metallo siano ioni positivi immersi in un gas carico negativamente, o mare degli
elettroni di valenza, che assicurano all'intero complesso la neutralità
elettrica. Gli elettroni di valenza del mare non sono associati con alcun atomo
particolare e sono liberi di muoversi attraverso l'intera struttura del solido
metallico.
Questo semplice modello rende conto di numerose proprietà caratteristiche dei
metalli. Questi possono condurre l'elettricità, che è semplicemente un flusso
di elettroni, grazie alla mobilità degli elettroni di valenza che sono liberi.
La resistenza elettrica dei metalli aumenta con la temperatura a causa
dell'aumento dell'ampiezza delle oscillazioni vibrazionali degli atomi del
metallo che ostacola il flusso degli elettroni. Strati di atomi possono essere
traslati o spostati uno rispetto all'altro senza che il mare degli elettroni ne
risulti disturbato, cosa dalla quale segue il comportamento plastico dei metalli
in seguito a urto o a sollecitazioni di pressione e che conferisce a essi le
proprietà di essere duttili e malleabili. I metalli fusi conducono la corrente
elettrica quasi altrettanto bene di quelli solidi, perché allo stato liquido
gli ioni metallici positivi, in questo caso mobili anch'essi, sono ancora
immersi nel mare di elettroni liberi che conduce la corrente. Infine, il legame
metallico degli elettroni liberi non è specifico, il che comporta che un tipo
di ione metallico può essere sostituito da un altro senza cambiare il legame
complessivo in modo sostanziale, cosicché i metalli possono formare
un'incredibile varietà di soluzioni solide, o leghe.
Una teoria del legame metallico, e in genere del legame nei solidi, più
quantitativa e più estesa, è quella detta teoria delle bande dei solidi (v.
stato solido, fisica dello). Secondo la teoria delle bande, tutti gli elettroni
di un solido occupano livelli energetici permessi che sono così strettamente
vicini da essere praticamente continui. Questi gruppi di livelli ravvicinati, o
bande di energia, sono separati da intervalli energetici (gap) di varia
lunghezza, che gli elettroni non possono occupare. Le bande che sono
completamente riempite dagli elettroni non possono condurre la corrente
elettrica, cosicché gli isolanti, cioè i non conduttori, hanno sempre bande
completamente riempite separate da quelle vuote da ampi gap di energia. Nei
metalli avviene o che una banda permessa è riempita solo parzialmente, o che
una banda riempita si sovrappone a una banda vuota (gap di energia uguale a
zero); in entrambi i casi si ha la possibilità di condurre la corrente
elettrica.
La teoria delle bande spiega in modo elegante il meccanismo di riflessione
pressoché totale della luce visibile da parte di superfici metalliche ben
pulite. Il fotone della luce visibile incidente eccita un elettrone dal livello
più alto della sua banda energetica parzialmente riempita a un livello del
continuo tra quelli permessi e non occupati di energia più alta, nella stessa
banda. Successivamente l'elettrone eccitato ricade nel più alto livello
occupato della banda, provocando l'emissione di un fotone visibile, esattamente
della stessa frequenza di quello incidente, e quindi dando luogo alla
"riflessione" della luce.
Il ferromagnetismo, una
proprietà posseduta dal ferro e da pochi altri metalli che permette a essi di
essere magnetizzati permanentemente (v. magnetismo), è spiegato in base alla
teoria delle bande supponendo che gli
elettroni di spin opposto (e quindi di polarità magnetica opposta) siano
distribuiti in numero disuguale nelle bande di energia permesse, così che il
metallo solido viene ad avere un definito momento magnetico di volume.
Copyright © 2002 Motta Editore
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