Legatura metalica

Legatura metalica

Majoritatea metalelor cristalizeaza adoptand unul din aranjamentele spatiale:

- cubic centrat intern ( cu interior centrat );

- cubic compact (cubic cu fete centrate);

- hexagonal.

Infatisarea exterioara a metalelor, comportarea lor este functie de acest aranjament la scara atomilor. Aranjamentul din cristalul metalic este la rindul sau consecinta tuturor interactiunilor ce se stabilesc intre nuclee si electronii tuturor atomilor. Aceste interactiuni depind de mai multi factori printre care :

- marimea sarcini nucleare, Z

- numarul de electroni periferici

- numarul de electroni interiori care ecraneaza nucleul

- numarul de nivele de energie apropiate care permit extinderea, delocalizarea norului electronic.

1. Teoria benzilor de energie

Dintre cele doua metode de tratare a legaturii chimice (VB si MO) metoda orbitalilor moleculari are o utilizare mai larga in explicarea legaturii metalice. Aplicata la metale aceasta a condus la teoria benzilor de energie. In atomi si molecule electronii sunt distribuiti intr-un numar limitat de nivele energetice, in timp ce in metale, orbitalii din straturilor electronice exterioare sunt delocalizati pe intregul cristal metalic, astfel incat electronii care ocupa acesti orbitali nu mai apartin atomilor individuali. Vom exemplifica esenta teoriei pe un model simplu: sodiul. Configuratia electronica a sodiului este 1s²2s²2p⁶3s¹. Sodiul metalic are structura cristalina de tip cubic centrata intern ( fiecare atom de sodiu se invecineaza cu alti 8 atomi de sodiu). Delocalizarea orbitalilor periferici are loc in directiile in care sunt situati atomii invecinati (aceasta delocalizare afecteaza doar orbitalii din ultimul strat). Daca aplicam metoda orbitalilor moleculari procedam dupa cum urmeaza:

- presupunem ca intr-un cristal se afla "n" atomi de sodiu;

- presupunem ca delocalizarea are loc pentru orbitalii din subtratul 3s si 3p(vacanti);

- atunci fiecare atom de sodiu contribuie cu 4 OA, iar n atomi de sodiu cu 4nOA;

- din 4nOA rezulta 4nOM extinsi in tot cristalul care fiind foarte apropiati din punct de

vedere energetic vor forma benzi energetice;

- din cei 4nOM extinsi, 2nOM extinsi sunt orbitali moleculari de legatura OML (cei de energie mai joasa) iar 2nOM extinsi sunt orbitali moleculari de antilegatura OMA.

Cei 2n orbitali de legatura (OML) alcatuiesc banda de valenta. Ocuparea cu electroni a orbitalilor moleculari delocalizati respecta aceleasi reguli si principii de la ocuparea cu electroni a orbitalilor atomici. Electronii din ultimul strat ai tuturor atomilor de sodiu (n) vor ocupa n/2 orbitali moleculari de lega­tura OML din banda de valenta. Se observa usor ca din totalul OM extinsi doar 1/8 sunt ocupati ceea ce reprezinta 1/4 din banda de valenta (Figura 33). Orbitalii vacanti formeaza banda de conductie.

Figura 33. Diagrama ce ilustreaza formarea benzilor de valenta si conductie in cazul sodiului

2. Proprietati fizice ale metalelor

a) Proprietati mecanice. Legatura metalica nu este atat de rigida cum este cea covalenta. Prin ur­mare, sub actiunea unor forte exterioare metalele pot fi deformate: ele sunt ductile (se pot trage in fire), maleabile (se pot trage in foi).

b) Proprietati termice. Norul de electroni mobil din metale le asigura o buna conductibilitate termica. Sub influenta caldurii electronii pot parasi metalul. Daca cristalul metalic incalzit este plasat intr-un camp electric, electronii ce-l parasesc sunt dirijati corespunzator de catre camp, fenomen ce este indeobste cunoscut ca efect termoelectric (folosit in diode).

c) Proprietati optice. Metalele reflecta bine lumina. Radiatia luminoasa excita electronii, acestia trec pe nivele superioare de energie, de unde prin dezexcitare reemit radiatie luminoasa fara pierdere de energie. (de exemplu Ag, Hg). Unele metale pot insa absorbi anumite radiatii din domeniul vizibil si apar colorate (Cu, Au - absorb in domeniul albastru al spectrului si apar galbene, adica in culoarea complementara). In unele cazuri radiatia luminoasa poate avea suficienta energie pentru a promova electroni in afara retelei metalice, iar daca metalul este plasat intr-un camp electric, acesti electroni pot fi directionati, fenomen cunoscut ca efect fotoelectric.

d) Proprietati electrice. Metalele conduc foarte bine curentul electric. O mica diferenta de po­tential produce un curent de electroni destul de important, fapt ce este insotit de incalzirea metalului.