Legame metallico

Questo sito utilizza cookie, anche di terze parti. Se vuoi saperne di più leggi la nostra Cookie Policy. Scorrendo questa pagina o cliccando qualunque suo elemento acconsenti all’uso dei cookie.I testi seguenti sono di proprietà dei rispettivi autori che ringraziamo per l'opportunità che ci danno di far conoscere gratuitamente a studenti , docenti e agli utenti del web i loro testi per sole finalità illustrative didattiche e scientifiche.

Legame metallico

Tranne il gallio (Ga) e il mercurio (Hg) tutti i metalli sono solidi allo stato elementare. Il legame che tiene uniti gli atomi metallici all'interno del solido è detto legame metallico.

Tra i modelli più semplici ed intuitivi che descrivono il legame metallico vi è quello di P.Drude (1863-1906), secondo il quale gli atomi metallici perdono facilmente gli elettroni superficiali trasformandosi in ioni positivi. Gli ioni si accatastano in modo da lasciare il minor spazio vuoto possibile, andando così ad occupare posizioni ben determinate all'interno di ben precise strutture geometriche. Gli elettroni persi non appartengono più ai singoli atomi, ma a tutto il reticolo solido. Essi sono liberi di muoversi (elettroni delocalizzati) tra gli ioni positivi garantendo la neutralità del sistema e agendo da collante per i cationi.

Il modello di Drude è oggi sostituito da un modello quantistico del legame metallico che si deve a F.Bloch, ed e' conosciuto come modello a bande.

In tale modello l'intero cristallo può essere pensato come un'unica enorme molecola e gli orbitali di ciascun atomo devono perciò essere considerati estesi a tutto il cristallo (orbitali molecolari).

Se ad esempio il cristallo è formato da N atomi di litio, esisteranno N orbitali 1s ed N orbitali 2s estesi a tutto il solido. Tutti gli orbitali molecolari di uno stesso tipo (ad esempio tutti gli N orbitali 2s) presentano energie molto vicine, tanto da poter essere considerati come una banda continua di energia (banda 2s). In altre parole all'interno di ciascuna banda le differenza energetiche tra gli N orbitali molecolari sono così piccole che possiamo considerare la distribuzione energetica come non quantizzata.

Le bande sono separate da brevi intervalli energetici, dette zone proibite, in cui gli elettroni non possono essere presenti.

Una banda non completamente riempita di elettroni viene detta banda di conduzione. In tale banda gli elettroni possono facilmente muoversi attraverso l'intero solido se sottoposti anche a piccoli campi elettrici. Gli elettroni di conduzione che riempiono parzialmente una banda superficiale sono anche responsabili del legame metallico. Il legame metallico risulta tanto più intenso quanto più numerosi sono gli elettroni delocalizzati presenti nella banda di conduzione.

I metalli alcalino e alcalino terrosi che presentano rispettivamente 1 e 2 elettroni di conduzione, risultano per questo motivo particolarmente teneri e malleabili. I metalli di transizione che presentano in genere da 3 a 6 elettroni di conduzione, sono più duri e resistenti.

La facilità con cui gli elettroni di conduzione possono muoversi attraverso il reticolo metallico spiega anche la buona conducibilità termica dei metalli. Quando un metallo viene avvicinato ad una fonte di calore gli elettroni di conduzione aumentano la loro energie cinetica media che, data la loro mobilità può essere facilmente trasferita alle particelle adiacenti.

La lucentezza dei metalli si spiega infine con la vicinanza degli orbitali molecolari all'interno della banda di conduzione. In pratica gli elettroni, avendo a disposizione moltissimi livelli energetici adiacenti, possono facilmente esservi promossi assorbendo luce su tutte le lunghezze d'onda per poi riemetterla per tornare allo stato fondamentale.

Una banda completamente piena non è invece in grado di contribuire ad una corrente elettrica. Gli elettroni di una banda completamente piena sono in grado di compiere movimenti minimi all'interno del reticolato cristallino.

La teoria delle bande, oltre a giustificare le caratteristiche metalliche è in grado di fornire una spiegazione semplice ed immediata dell'esistenza dei semiconduttori e degli isolanti.

Conduttori

Sono conduttori

a) i metalli che presentano una banda superficiale non completamente riempita, come i metalli alcalini;

b) i metalli che presentano una banda superficiale piena, ma una zona proibita estremamente ridotta o addirittura inesistente (sovrapposizione di banda), come nel caso dei metalli alcalino terrosi, che permette agli elettroni di riempire parzialmente la banda superiore anche a temperatura ambiente.

La conducibilità dei metalli diminuisci all'aumentare della temperatura poichè l'aumento dei moti vibrazionali dagli atomi va ad interferire con il moto degli elettroni.

semiconduttori

Sono semiconduttori elementi come il silicio ed il germanio che presentano una banda piena ed un intervallo di banda (zona proibita) con un valore non eccessivamente alto, tale comunque da poter essere superato fornendo adeguate quantità di energia al cristallo.

E' questo il motivo per cui nei semiconduttori la resistenza al passaggio di corrente elettrica diminuisce all'aumentare della temperatura.

Semiconduttori con particolari caratteristiche si possono costruire attraverso il processo di drogatura, aggiungendo ad un semiconduttore piccole percentuali di impurezze. Ad esempio mescolando al silicio piccole, ma ben definite quantità di arsenico o di gallio.

La drogatura con arsenico è detta di tipo n (negativa) in quanto viene aggiunto un elemento chimico che presenta la stessa configurazione superficiale del silicio più un elettrone. Gli elettroni in più vanno a disporsi nella banda superiore e sono disponibili per la conduzione.

La drogatura con gallio viene detta di tipo p (positiva) in quanto viene aggiunto un elemento chimico che presenta la stessa configurazione superficiale del silicio meno un elettrone. Gli elettroni in meno creano delle lacune elettroniche nella banda più superficiale del silicio creando le premesse per la conduzione.

Isolanti

Sono isolanti le sostanze, come il diamante, in cui vi è una banda superficiale piena e la banda vuota soprastante è separata da una zona proibita talmente grande che nessun elettrone è in grado di accedervi alla normale temperatura ambientale. Tali sostanze diventano conduttrici solo a temperature elevatissime.

Alcuni fisici separano gli isolanti dai semiconduttori ponendo arbitrariamente pari a 4 eV le dimensioni energetiche della zona proibita. Il silicio ad esempio presenta un valore di 1,1 eV.

Fonte: http://digidownload.libero.it/quintaachimica/CHIMICA.doc

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

Parola chiave google : Legame metallico tipo file : doc

Clicca qui per visitare il portale dedicato alla chimica