METALE - Legatura metalica

METALE

Legatura metalica

Natura legaturii dintre atomii metalelor nu poate fi ionica, deoarece aceasta nu este posibila intre atomi de acelasi fel; nu poate fi covalenta, localizata intre cate doi atomi, deoarece intr-un cristal, fiecare atom de metal este inconjurat de 8 sau 12 atomi vecini.

Pentru definirea legaturii metalice au fost emise mai multe teorii, dintre care:

- Teoria gazului electronic, elaborata de P. Drude (1900) si H.L. Lorenz, considera ca metalele sunt formate din retele cristaline alcatuite din atomi sau ioni pozitivi, printre care se deplaseaza dezordonat electronii de valenta liberi, formand un nor electronic mobil. Interactiunile electrostatice dintre norul electronic si ionii pozitivi din nodurile retelei determina coeziunea retelei metalice. Aceasta teorie a permis explicarea calitativa a unor proprietati caracteristice metalelor (densitate, duritate, maleabilitate, opacitate, luciu metalic, conductibilitate termica si electrica, etc.).

Teoria are insa o serie de limite, de exemplu nu poate explica din punct de vedere cantitativ conductia electrica si scaderea conductibilitatii electrice cu cresterea temperaturii.

Teoria legaturii de valenta (L. Pauling, 1938). Tinand seama ca in reteaua cristalina a metalelor, fiecare atom este inconjurat, in imediata sa vecinatate, de un numar de atomi mai mare decat numarul electronilor sai de valenta, Pauling considera ca legatura metalica ar fi o covalenta, insa care nu este localizata intr-o anumita directie, ci exista structuri de rezonanta intre mai multe pozitii. Astfel, intr-un metal alcalin fiecare atom poate realiza o singura pereche de electroni, care se disperseaza intre cei 8 vecini apropiati. In consecinta, legatura va fi slaba, fiecarei perechi de atomi revenindu-i 1/8 dintr-o legatura intreaga. De aceea metalele alcaline sunt moi, au densitate mica si punct de topire scazut. Pe masura ce numarul perechilor de electroni, deci al legaturilor, este mai mare cresc si anumite proprietati ale metalelor (densitate, duritate, punct de topire, de fierbere, etc.).     

Teoria orbitalilor moleculari (A. Sommerfeld, T. Bloch, L. Brillouin, E. Fermi, 1928). Dupa aceasta teorie exista o diferenta intre distributia electronilor intr-un atom izolat al unui metal si distributia electronilor in cristalul de metal.

In atomii de metal izolati nivelele energetice sunt distincte, iar ocuparea lor cu electroni se face in ordinea crescanda a energiilor lor, respectand regulile lui Hund si principiul excluziunii al lui Pauli.

In metalul compact, atomii sunt apropiati intre ei, astfel incat nivelele energetice exterioare ale atomilor se pot combina dand orbitali moleculari (OM). Numarul orbitalilor moleculari (OM) formati este egal cu numarul orbitalilor atomici (OA) din care au provenit. La un numar foarte mare de atomi apropiati (cazul metalului compact), rezulta un numar tot asa de mare de orbitali moleculari delocalizati, care se contopesc in benzi de energie. Astfel din N orbitali atomici rezulta N orbitali moleculari, care vor alcatui o banda de energie a orbitalilor moleculari delocalizati. Din cei N orbitali moleculari, N/2 vor fi orbitali moleculari de legatura (OML), de energie mai joasa, care formeaza banda de legatura, numita banda de valenta si N/2 vor fi orbitali moleculari de antilegatura (OMA), de energie mai inalta, care formeaza banda de antilegatura.

De exemplu, la sodiu, atomul izolat are configuratia electronica: 1s²2s²2p⁶3s¹3p⁰. In cristalul de sodiu orbitalii interiori, complet ocupati 1s²2s²2p⁶, nu participa la formarea legaturilor. Orbitalii 3s si 3p, fiind apropiati energetic vor forma banda de energie. N atomi de sodiu ai unui cristal dispun de 4N orbitali atomici (1 orbital-3s si 3 orbitali 3p) din care rezulta 4N orbitali moleculari, care constituie banda de energie a orbitalilor moleculari de legatura si de antilegatura.

Deci, N atomi de sodiu au N electroni de valenta adica N/2 perechi de electroni, care ocupa doar 1/4 din cei 2N OML, respectiv din banda de valenta. Restul de 3/4 din banda de valenta, neocupata cu electroni si cu o energie mai mare decat portiunea ocupata, care permite deplasarea electronilor cand acestia sunt sub influenta unui camp electric, se numeste banda de conductie. La aplicarea unui camp electric exterior, electronii trec usor din portiunea ocupata a benzii de valenta in banda de conductie neocupata, determinand conductibilitatea metalului.

2. Proprietati fizico-mecanice ale metalelor

Metalele sunt, in conditii obisnuite, substante solide, cristaline (cu exceptia Hg) si au o serie de proprietati specifice, ce le deosebesc de celelalte substante: conductibilitate electrica si termica mare, opacitate, putere mare de reflexie (luciu metalic), proprietati mecanice speciale (duritate, plasticitate, ductilitate, etc.), fapt care sugereaza existenta unor forte de coeziune foarte puternice.

In stare compacta, metalele din grupele principale ale sistemului periodic au culoare alb-argintie, numai cesiul este alb-auriu, beriliul cenusiu-deschis, germaniul alb-cenusiu si modificatia a-Sn este cenusie. Metalele tranzitionale sunt in majoritate albe-cenusii, cuprul este rosu-aramiu si aurul galben-auriu.

In stare fin divizata, metalele au culoare cenusie-inchis sau neagra. Cuprul si aurul isi pastreaza culoarea si sub forma de pulberi.

Metalele sunt opace, nu permit trecerea radiatiilor luminoase, deoarece electronii din benzile de energie absorb toata energia luminoasa.

Metalele in stare pura, neoxidate si cu suprafata neteda reflecta lumina, prezentand luciu metalic in stare compacta. Magneziul si aluminiul sunt singurele metale care au luciu metalic si sub forma de pulbere.

Plasticitatea este proprietatea metalelor de a se deforma permanent, la prelucrare mecanica, sub actiunea unei forte exterioare, fara a se sfarama sau fisura. Cele mai plastice, in aceasta ordine sunt: Au, Ag, Pt, Mg, Al, Pb, Sn, Sb, Ta, Hf si Cu. Metalele foarte dure si casante cum sunt: Ti, Cr, a-Mn, Ge, Zr, Nb, Ru, Os, Ir, nu pot fi prelucrate sub presiune.

Maleabilitatea este proprietatea metalelor si aliajelor de a putea fi trase in foi, fara fisurare, prin laminare la o temperatura inferioara temperaturii de topire. Sunt mai maleabile: Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ni si Ta, din care se pot obtine foi foarte subtiri, de ordinul micronilor.

Ductilitatea este proprietatea metalelor de a fi trase in fire, prin procesul de trefilare. Pot fi prelucrate prin trefilare: Au, Ag, Pt, Ni, Ta, Mo, Zr, Nb, Co, Fe, Cu, Al, etc. Un numar mic de metale si anume: Be, In, Pb, Tl si Ti nu se pot trage in fire.

Tenacitatea este rezistenta la rupere a unui fir metalic cu o anumita sectiune, sub actiunea unei forte de tractiune. Metalele cu rezistenta mare la rupere in ordine descrescanda sunt: W, Mo, Ta, Zr, Nb, Ti, Th, Co, Ni, Pd, Fe, Cu, Ag, Au, Al, etc. Rezistenta mica la rupere au: Bi, Tl, Pb, In, Ga, Sn.

3. Proprietati chimice ale metalelor

Metalele au caracter electropozitiv, adica au tendinta de a ceda electroni, cu formare de ioni pozitivi, deci se oxideaza, au caracter reducator. Metalele alcaline si alcalino-pamantoase prezinta reactivitate ridicata. Metale ca: Na, K, Ca se oxideaza direct in aer, la temperatura obisnuita a mediului, in timp ce Mg, Al si Pb pentru oxidare in aer trebuie incalzite, pe cand Ag, Pt si Au nu se combina direct cu oxigenul, la nici o temperatura.

Oxizii metalici sunt cu atat mai stabili, cu cat la formarea lor s-a degajat o mai mare cantitate de energie. Astfel, oxidul de calciu nu se reduce cu hidrogen, in timp ce oxidul de cupru se reduce cu usurinta prin simpla trecere a unui curent de hidrogen peste oxidul incalzit. Oxizii metalelor din grupele IA si IIA, prin reactia cu apa formeaza baze, deci sunt anhidride bazice. Unii oxizi ai metalelor cu valente superioare formeaza acizi (HMnO₄ - acid permanganic sau H₂CrO₄ - acid cromic), altii au caracter amfoter, formand atat acizi cat si baze, de exemplu Al₂O₃.

Metalele grupelor IA si IIA, cele mai electropozitive, si metalele tranzitionale au tendinta ca in stare topita sa formeze combinatii intermetalice cu unele metale mai electronegative decat ele. Astfel de combinatii intermetalice, cum sunt: Mg₂Si, Mg₃As₂, CaTl, CrTe, CoSb, FeSn, NiSe, etc., se intalnesc in aliaje. Aliajele sunt materiale cu proprietati metalice, formate din doua sau mai multe elemente, din care cel putin elementul predominant este metal.

Cateva exemple de aliaje:

alame - aliaje Cu, Zn;

bronzuri - aliaje Cu, Sn;

bronz-aluminiu - aliaj Cu, Al;

aur 14 carate - aliaj 58 % Au, 14-28 % Ag, 14-28 % Cu;

aur 18 carate - aliaj 75 % Au, 10-20 % Ag, 5-15 % Cu;

constantan - aliaj Cu, Ni;

nichelina - aliaj Cu, Ni, Zn;

widia - aliaj W, C, Co, Ti.

Metalele se combina cu nemetalele formand saruri.

Cu hidrogenul, metalele formeaza hidruri, care pot fi ionice, covalente si interstitiale. Hidruri ionice dau metalele din grupele IA si IIA, cu exceptia beriliului. Celelalte metale din grupele principale dau hidruri covalente. Metalele tranzitionale formeaza hidruri interstitiale si foarte putine hidruri covalente.

Compusii interstitiali sunt acele combinatii ale metalelor tranzitionale in care elementul nemetalic ocupa golurile (interstitiile) din reteaua metalica.

Metalele se combina cu borul, carbonul si azotul formand compusii denumiti boruri, carburi si respectiv nitruri. Acesti compusi sunt remarcabili prin puncte de topire ridicate si duritate mare, proprietati datorita carora, se folosesc la prelucrarea metalelor prin aschiere, prin abraziune si prin topire. Toti compusii din aceasta categorie sunt inerti din punct de vedere chimic.

Combinatiile complexe, pe care metalele tranzitionale le formeaza cu oxidul de carbon ca ligand, se numesc carbonili metalici (de exemplu, V(CO)₄, Cr(CO)₆, Mn₂(CO)₁₀, Fe(CO)₅, Ni(CO)₄, etc.). Carbonilii metalici sunt substante foarte reactive, unii dintre acestia fiind folositi in tehnica militara ca arma chimica de lupta.