Legame metallico

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Il legame metallico è un caso particolare di legame chimico delocalizzato e consiste in una attrazione elettrostatica che si instaura tra gli elettroni di valenza mobili e ioni positivi metallici.

Gli atomi di metallo hanno in genere pochi elettroni di valenza che sono facilmente delocalizzabili in un reticolo di atomi metallici caricati positivamente. Si può visualizzare questo tipo di legame immaginando un metallo come un reticolo di ioni positivi tenuti uniti da un' "atmosfera" di elettroni.

Come nel caso del legame ionico non esistono quindi molecole vere e proprie ma aggregati reticolari di atomi metallici tenuti insieme da questa forza di tipo elettrostatico.

Questo modello spiega alcune proprietà dei metalli come le loro elevate conducibilità elettrica (infatti, essendo tali elettroni non legati a nessun atomo particolare, risultano essere estremamente mobili) e termica, la loro malleabilità e duttilità.

Il legame metallico è anche il legame che si forma nei processi di brasatura tra i metalli di apporto e quelli di base.

[modifica] Teoria delle bande

Il fisico svizzero Felix Bloch elaborò la teoria delle bande definendo il legame metallico sulla base di concetti fondamentali della meccanica quantistica. Applicando l'equazione di Schrödinger ad una quantità di atomi metallici tendente a infinito, si ottiene una successione di livelli energetici orbitalici (approssimazione del legame forte): i livelli più bassi contengono elettroni e sono definiti bande di valenza, quelli a energia maggiore sono vuoti e rappresentano le bande di conduzione.

I conduttori metallici sono caratterizzati da avere una banda di valenza solo parzialmente riempita o una banda di valenza in stretta contiguità, o addirittura sovrapposta, alla banda di conduzione: in questo modo gli elettroni risultano praticamente mobili e possono facilmente passare da un livello di energia E₁ ad un livello E₂, generando una corrente elettrica per imposizione di una differenza di potenziale o per assorbimento di un determinato fotone hν (fotoelettricità). Aumentando la temperatura, aumentano i moti oscillatori degli atomi lungo l'asse del nodo cristallino: in questo modo il flusso libero di elettroni risulta ostacolato e si spiega il perché la conduttanza elettrica diminuisca con l'aumentare della temperatura. La distribuzione degli elettroni segue la statistica di Fermi-Dirac. L'energia di Fermi E_F è il valore dell'energia che separa il più alto livello energetico occupato dal più basso livello non occupato nello stato fondamentale a 0°K.

Schema semplificato di bande elettroniche di un semiconduttore. In teoria i livelli energetici possibili sono infiniti ma ad alti valori l'elettrone viene espulso. Le bande hanno ampiezza differente in relazione agli orbitali atomici da cui derivano.

I semiconduttori possiedono invece una distribuzione orbitalica dove la banda di conduzione è separata dalla banda di valenza da un piccolo gap energetico, minore di un elettronvolt per mole di elettroni. Con il processo di drogaggio è possibile rendere conduttore un siffatto metallo: inserendo lacune elettroniche si può arrivare praticamente ad annullare il gap mentre aumentando artificialmente il numero di elettroni questi, essendo già totalmente piene le bande di valenza, si distribuiranno nella banda di valenza riempiendola parzialmente e divenendo mobili nel continuum di energia quantizzata. Aumentando la temperatura si fornisce energia agli elettroni che possono così facilmente superare il piccolo gap energetico, questo effetto prevale sul moto oscillatorio degli atomi; la conduttanza di un semiconduttore aumenta all'aumentare della temperatura.

Gli isolanti sono caratterizati dall'avere un forte gap energetico tra le bande di valenza e quelle di conduzione, dell'ordine di qualche elettronvolt per mole di elettroni, rendendo impossibile il libero fluire degli elettroni.

In pratica il legame metallico può classicamente immaginarsi come un reticolo cristallino formato dai cationi dei metalli e da un "mare" di elettroni delocalizzati. In questo modo si spiegano le peculiarità dei metalli: la conduzione del calore è legata alla motilità degli elettroni che incrementano la loro energia cinetica mentre duttilità e malleabilità sono spiegabili dal libero scorrimento reciproco dei piani reticolari, il quale non provoca la distruzione dell'edificio cristallino in quanto il legame non è costituito da pochi elettroni localizzati, ma da tutti gli elettroni disponibili.