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.

Leghe

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.

Semimetalli

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.

PROPRIETA' ATOMICHE

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.

GLI ELEMENTI METALLICI

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.

Elementi tipici

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

litio, sodio, potassio, rubidio, cesio, francio.

Gruppo IIA

due elettroni di valenza in un orbitale s

berillio, magnesio, calcio, stronzio, bario, radio.

Gruppo IIIB

due elettroni di valenza in un orbitale s, uno in un orbitale p

alluminio, gallio, indio, tallio.

Gruppo IVB

due elettroni di valenza in un orbitale s, due in un orbitale p

stagno, piombo.

Gruppo VB

due elettroni di valenza in un orbitale s, tre in un orbitale p

bismuto

Gruppo VIB

due elettroni di valenza in un orbitale s, quattro in un orbitale p

polonio

Elementi di transizione

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.

Lantanidi e attinidi

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.

STRUTTURA E LEGAME NEI METALLI

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.

Il legame metallico

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.

Teoria delle bande

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.

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Questa pagina è stata realizzata da Vittorio Villasmunta

Ultimo aggiornamento: 28/05/14