Enllaç metàl·lic

En l'enllaç metàl·lic alguns electrons es mouen entre els àtoms amb facilitat

Un enllaç metàl·lic és una mena d'enllaç químic típic dels elements metàl·lics i que es dona entre elements d'electronegativitat iguals o baixes. Normalment, es dona entre àtoms del mateix metall o de metalls diferents. En aquest enllaç hi ha una superposició d'orbitals i els electrons de valència es mouen entre la xarxa de cations resultant, pertanyent a la vegada a diversos cations.

Perquè es formi un enllaç metàl·lic cal que:

• els elements tinguin una baixa electronegativitat
• tinguin orbitals desocupats

La vinculació metàl·lica és no polar, a penes hi ha diferència de electronegativitat entre els àtoms que participen en la interacció de la vinculació (en els metalls, elementals purs) o molt poca (en els aliatges), i els electrons implicats en el que constitueix la interacció a través de l'estructura cristal·lina del metall. L'enllaç metàl·lic explica moltes característiques físiques de metalls, com ara solidesa, duresa, mal·leabilitat, ductilitat, bons en la conducció de calor i electricitat, i amb brillo o llustre (retornen la major part de l'energia lumínica que reben).

La vinculació metàl·lica és l'atracció electroestàtica entre els àtoms del metall o cations i els electrons deslocalitzats. Aquesta és la raó per la qual es pot explicar un lliscament de capes, donant per resultat la seva característica mal·leabilitat i ductilitat.

Els àtoms del metall tenen almenys un electró de valència, no comparteixen aquests electrons amb els àtoms veïns, ni perden electrons per a formar els ions. En el seu lloc els nivells d'energia externs dels àtoms del metall es traslapan. Són com enllaços covalents identificats.

Propietats dels compostos metàl·lics

• Formen xarxes cristal·lines compactes amb alt índex de coordinació (nombre d'àtoms que envolten un àtom donat).
• Són de densitat elevada, a causa del seu alt índex de coordinació.
• Són dúctils i mal·leables.
• Són bons conductors tèrmics i elèctrics, ja que els electrons que es mouen transmetent els impulsos tèrmics, ja que en ser escalfats els electrons s'exciten i xoquen entre els mateixos electrons i amb els cations, el que fa que es propagui.
• Són insolubles en qualsevol dissolvent.
• Presenten brillantor metàl·lica i, en ser tallats, una lluentor grisa, excepte el níquel i l'or, en els quals és daurada.
• Emeten electrons quan són escalfats (efecte termodinàmic) o quan hi incideix llum d'una certa freqüència (efecte fotoelèctric).

L'enllaç metàl·lic és característic dels elements metàl·lics, és un enllaç fort, primari, que es forma entre elements de la mateixa espècie. Els àtoms, en estar tan propers units d'un altre, interaccionen els nuclis juntament amb els seus núvols electrònics empaquetant-se en les tres dimensions, i per això queden envoltats de tals núvols. Aquests electrons lliures són els responsables que els metalls presenten una elevada conductivitat elèctrica i tèrmica, ja que aquests es poden moure amb facilitat si es posen en contacte amb una font elèctrica. Presenten lluentor i són mal·leables.

Els elements amb un enllaç metàl·lic estan compartint un gran nombre d'electrons de valència, formant un mar d'electrons envoltant un enreixat gegant de cations.

Els metalls tenen punts de fusió més alts pel que es dedueix que hi ha enllaços més forts entre els diferents àtoms.

La vinculació metàl·lica és no polar, tot just hi ha (per als metalls elementals puros) o molt poca (per als aliatges) diferència d'electronegativitat entre els àtoms que participen en la interacció de la vinculació, i els electrons implicats en el que és la interacció a través de l'estructura cristal·lina del metall. L'enllaç metàl·lic explica moltes característiques físiques de metalls, tals com força, mal·leabilitat, ductilitat, conducció de la calor i de l'electricitat, i lustre.

La vinculació metàl·lica és l'atracció electroestàtica entre els àtoms del metall o els ions i electrons deslocalitzats. Aquesta és la raó per la qual s'explica un lliscament de capes, donant per resultat la seua característica mal·leabilitat i ductilitat.

Els àtoms del metall tenen almenys un electró de valència, no comparteixen aquests electrons amb els àtoms veïns, ni perden electrons per a formar els ions. El model utilitzat per representar l'enllaç metàl·lic és un núvol d'electrons o mar electrònica. Consisteix a posar els cations en forma de xarxa i els electrons de valència a l'espai interatòmic.

Història

A mesura que la química es desenvolupava com a ciència, va quedar clar que els metalls formaven la major part de la taula periòdica dels elements, i es van fer grans progressos en la descripció de les sals que poden formar-se en reaccions amb àcids. Amb l'adveniment de l'electroquímica, va quedar clar que els metalls generalment entren en solució com a ions carregats positivament, i les reaccions d'oxidació dels metalls es van comprendre bé en les seves sèries electroquímiques. Va sorgir una imatge dels metalls com a ions positius units per un oceà d'electrons negatius.

Amb l'adveniment de la mecànica quàntica, aquesta imatge va rebre una interpretació més formal en forma del model d'electró lliure i la seva extensió posterior, el model de l'electró gairebé lliure. En tots dos models, els electrons es veuen com un gas que viatja a través de l'estructura del sòlid amb una energia que és essencialment isòtropa, en el sentit que depèn del quadrat de la magnitud, no de la direcció del vector moment k. En l'espai k tridimensional, el conjunt de punts dels nivells plens més alts (la superfície de Fermi) hauria de ser, per tant, una esfera. En el model gairebé lliure, la Zona de Brillouin en forma de caixa s'afegeixen a l'espai k pel potencial periòdic experimentat per l'estructura (iònica), trencant així lleugerament la isotropia.

L'arribada de la difracció de raigs X i l'anàlisi tèrmica va permetre estudiar l'estructura dels sòlids cristal·lins, inclosos els metalls i els seus aliatges, i es van desenvolupar els diagrames de fase. Malgrat tots aquests avanços, la naturalesa dels compostos intermetàl·lics i els aliatges continuava sent en gran manera un misteri i el seu estudi era sovint merament empíric. En general, els químics s'apartaven de tot el que no semblés seguir les lleis de les proporcions múltiples de Dalton; i el problema es considerava del domini d'una ciència diferent, la metal·lúrgia.

El model d'electrons gairebé lliures va ser adoptat amb entusiasme per alguns investigadors en aquest camp, en particular Hume-Rothery, en un intent d'explicar per què es formaven uns certs aliatges intermetàl·lics amb determinades composicions i altres no. Al principi, els intents d'Hume-Rothery van tenir bastant èxit. La seva idea consistia a afegir electrons per a inflar el globus esfèric de Fermi dins de la sèrie de caixes de Brillouin i determinar quan s'ompliria una caixa determinada. Això va predir un nombre bastant gran de composicions d'aliatges que es van observar més tard. Tan aviat com la ressonància ciclotrònica va estar disponible i es va poder determinar la forma del globus, es va descobrir que la suposició que el globus era esfèric no es complia, excepte potser en el cas del cesi. Aquesta troballa va reduir moltes de les conclusions a exemples de com un model pot a vegades donar tota una sèrie de prediccions correctes, i així i tot estar equivocat.

La desfeta dels electrons gairebé lliures va mostrar als investigadors que qualsevol model que suposés que els ions es trobaven en una mar d'electrons lliures necessitava modificacions. Així, es van desenvolupar diversos models de mecànica quàntica, com els càlculs d'estructura de bandes basats en orbitals moleculars o la teoria del funcional de la densitat. En aquests models, es parteix dels orbitals atòmics dels àtoms neutres que comparteixen els seus electrons o (en el cas de la teoria funcional de la densitat) es parteix de la densitat electrònica total. No obstant això, la imatge de l'electró lliure ha continuat sent la dominant en l'ensenyament.

El model d'estructura de bandes electròniques es va convertir en un dels principals focus d'atenció no sols per a l'estudi dels metalls, sinó encara més per a l'estudi dels semiconductors. Juntament amb els estats electrònics, es va demostrar que els estats vibracionals també formaven bandes. Rudolf Peierls va demostrar que, en el cas d'una fila unidimensional d'àtoms metàl·lics -per exemple, hidrogen-, havia de sorgir una inestabilitat que conduís a la ruptura d'aquesta cadena en molècules individuals. Això va despertar l'interès per la pregunta general: quan és estable l'enllaç metàl·lic col·lectiu i quan ocuparà el seu lloc una forma més localitzada d'enllaç? Es va investigar molt l'estudi de l'agrupació d'àtoms metàl·lics.

A pesar que el concepte de model d'estructura de bandes ha demostrat ser molt útil per a descriure la unió metàl·lica, té l'inconvenient que continua sent una aproximació d'un sol electró a un problema de molts cossos. En altres paraules, els estats energètics de cada electró es descriuen com si tots els altres electrons formessin simplement un fons homogeni. Investigadors com Mott i Hubbard es van adonar que això era potser apropiat per a electrons s- i p fortament deslocalitzats; però per a electrons d, i encara més per a electrons f, la interacció amb electrons (i desplaçaments atòmics) en l'entorn local pot arribar a ser més fort que la deslocalització que condueix a bandes amples. Així, la transició dels electrons no apariats localitzats als itinerants que participen en l'enllaç metàl·lic es va fer més comprensible.

La naturalesa de l'enllaç metàl·lic

La combinació de dos fenòmens dona lloc a l'enllaç metàl·lic: deslocalització d'electrons i la disponibilitat d'un nombre molt major d'estats energètics deslocalitzats que d'electrons deslocalitzats. Això últim podria denominar-se deficiència d'electrons.

En 2D

El grafè és un exemple d'enllaç metàl·lic bidimensional. Els seus enllaços metàl·lics són similars a enllaç aromàtic en benzè, naftalè, antracè, ovalè, etc.

En 3D

L'aromaticitat metàl·lica en cúmuls metàl·lics és un altre exemple de deslocalització, aquesta vegada sovint en disposicions tridimensionals. Els metalls porten el principi de deslocalització al seu extrem, i es podria dir que un cristall d'un metall representa una única molècula sobre la qual tots els electrons de conducció estan deslocalitzats en les tres dimensions. Això significa que, en general, a l'interior del metall no es distingeixen les molècules, per la qual cosa l'enllaç metàl·lic no és ni intramolecular ni intermolecular. Potser seria millor parlar de "no molecular". L'enllaç metàl·lic és majoritàriament apolar, perquè fins i tot en els aliatges hi ha poca diferència entre les electronegativitats dels àtoms que participen en la interacció d'enllaç (i, en els metalls elementals purs, cap en absolut). Per tant, l'enllaç metàl·lic és una forma comunal extremadament deslocalitzada d'enllaç covalent. En un cert sentit, l'enllaç metàl·lic no és un tipus d'enllaç "nou". Descriu l'enllaç només com a present en un tros de matèria condensada: sigui sòlid cristal·lí, líquid o fins i tot vidre. Els vapors metàl·lics, per contra, solen ser atòmics (Hg) o a vegades contenen molècules, com Na₂, unides per un enllaç covalent més convencional. Per això no és correcte parlar d'un únic "enllaç metàl·lic".

La deslocalització és més pronunciada per als electrons s- i p. La deslocalització en el cesi és tan fort que els electrons estan virtualment alliberats dels àtoms de cesi per a formar un gas limitat només per la superfície del metall. Per al cesi, per tant, la imatge d'ions Cs⁺ units per un gas d'electrons carregat negativament no és inexacta. Per a altres elements els electrons són menys lliures, en el sentit que encara experimenten el potencial dels àtoms metàl·lics, a vegades amb bastant força. Requereixen un tractament mecànic quàntic més intricat (per exemple, enllaç estret) en el qual els àtoms es consideren neutres, com els àtoms de carboni en el benzè. Per als electrons d- i especialment f- la deslocalització no és forta en absolut i això explica per què aquests electrons són capaços de continuar comportant-se com electrons no aparellats que conserven el seu espín, afegint interessants propietats magnètiques a aquests metalls.

Deficiència i mobilitat d'electrons

Els àtoms metàl·lics contenen pocs electrons en les seves Petxines de valència en relació amb els seus períodes o nivells d'energia. Són deficiències d'electrons en relació amb el seu nivell d'energia. Són elements deficients en electrons i el repartiment comunal no canvia aquesta situació. Queden molts més estats energètics disponibles que electrons compartits. Per tant, es compleixen tots dos requisits per a la conductivitat: forta deslocalització i bandes d'energia parcialment plenes. Per tant, aquests electrons poden canviar fàcilment d'un estat energètic a un altre lleugerament distint. Així, no sols es deslocalitzen, formant una mar d'electrons que impregna l'estructura, sinó que també són capaces de migrar a través de l'estructura quan s'aplica un camp elèctric extern, la qual cosa dona lloc a la conductivitat elèctrica. Sense el camp, els electrons es mouen per igual en totes direccions. Dins d'aquest camp, alguns electrons ajustaran lleugerament el seu estat, adoptant un vector d'ona diferent. En conseqüència, hi haurà més electrons movent-se en una direcció que en una altra i es produirà un corrent net.

La llibertat dels electrons per a migrar també dona als àtoms metàl·lics, o a capes d'ells, la capacitat de lliscar-se els uns sobre els altres. Localment, els enllaços poden trencar-se fàcilment i substituir-se per altres nous després d'una deformació. Aquest procés no afecta massa l'enllaç metàl·lic comunal, la qual cosa dona lloc a la mal·leabilitat i ductilitat característiques dels metalls. Això és especialment cert en el cas dels elements purs. En presència d'impureses dissoltes, les escissions que normalment es formen amb facilitat poden bloquejar-se i el material endurir-se. L'or, per exemple, és molt tou en estat pur (24-karat), per això es prefereixen els aliatges en joieria.

Els metalls també solen ser bons conductors de la calor, però els electrons conductors només contribueixen en part a aquest fenomen. Les vibracions col·lectives (és a dir, deslocalitzades) dels àtoms, coneguts com a fonons que viatgen a través del sòlid com una ona, contribueixen en grau més alt.

No obstant això, una substància com el diamant, que condueix bastant bé la calor, no és un conductor elèctric. Això no és conseqüència que la deslocalització estigui absent en el diamant, sinó simplement que el carboni no és deficient en electrons.

La deficiència d'electrons és important per a distingir l'enllaç metàl·lic de l'enllaç covalent més convencional. Per tant, hauríem de modificar l'expressió anterior per: L'enllaç metàl·lic és una forma comunal extremadament deslocalitzada de deficiència d'electrons enllaç covalent.

Vegeu també

• Metall
• Enllaç químic
• Enllaç covalent
• Enllaç iònic
• Enllaç en sòlids