IL LEGAME METALLICO 1
Non metalli Metalli Metalloidi Proprietà dei metalli Elevata conducibilità elettrica; Elevata conducibilità termica; Effetto fotoelettrico; Elevata duttilità e malleabilità; Lucentezza; Elettropositività; Strutture cristalline molto compatte (n.c. 8-12) 2
Proprietà dei metalli Conducibilità elettrica: è dovuta alla presenza di e - liberi di muoversi sotto la sollecitazione di un campo elettrico. All aumentare di T, la conducibilità elettrica diminuisce perché il moto degli e - viene ostacolato dal progressivo aumento di oscillazioni degli atomi. Effetto fotoelettrico: facilità di estrazione di e- per irraggiamento con luce apropriata. Effetto termoionico: facilità di estrazione di e- per riscaldamento. Conducibilità termica: trasporto di energia termica dovuto alla mobilità degli e -. Duttilità e malleabilità: i piani reticolari possono slittare con una certa facilità gli uni sugli altri senza alterare le interazioni di legame. Elettropositività: facilità di estrazione degli e -. Non trasparenza e Lucentezza: i metalli assorbono tutte le radiazioni visibili incidenti e le riemettono in tutte le direzioni. Gli e - possono essere eccitati a livelli energetici superiori assorbendo quantità qualsiasi di energia, variabili praticamente 3 con continuità.
Modello semplificato di un reticolo metallico Mare di elettroni di valenza, molto mobili e delocalizzati Cationi disposti secondo un reticolo ordinato 4
Legame metallico - La teoria delle bande Un cristallo metallico è caratterizzato da un estesa sovrapposizione degli orbitali di valenza dei singoli atomi in modo da formare orbitali molecolari delocalizzati, estesi su tutto il reticolo cristallino (orbitali di Bloch). Costruzione di un reticolo metallico In un cristallo formato da molti atomi, i livelli energetici degli orbitali molecolari sono talmente ravvicinati da formare una banda continua TEORIA DELLE BANDE 5
Cristallo metallico di Na Gli e - sono delocalizzati sull intero cristallo La separazione fra le diverse bande è tanto minore quanto minore è la differenza di energia tra gli orbitali atomici dei singoli atomi e quanto 6 minore è la distanza fra atomi adiacenti nel cristallo
Mobilità degli elettroni nei conduttori E (+) e - (-) Conducibilità diminuisce all aumentare di T 7
CONDUTTORI a) banda di valenza solo parzialmente riempita (Li) b) banda di valenza satura ma sovrapposta con bande vuote (Be) c) banda di valenza parzialmente riempita ma sovrapposta con bande vuote E Banda vuota Banda di valenza non satura Banda vuota sovrapposta a quella di valenza Banda di valenza satura Banda vuota sovrapposta a quella di valenza Banda di valenza non satura Bande interne sature Bande interne sature Bande interne sature a) b) c) 8
La teoria delle bande si può applicare anche ai composti covalenti a struttura infinita (es. diamante, silice) o ai composti ionici (es. AgBr). Isolante: banda di valenza satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello (GAP) energetico molto elevato. C: 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2(sp 3 ) 4 E 2(sp 3 ) 4 4N OM E = 6 ev DIAMANTE 1s 2 N OM 9
Semiconduttori: banda di valenza satura e separata dalla banda di conduzione da un dislivello (GAP) energetico piccolo. SILICIO GERMANIO E Si: [Ne]3s 2 3p 2 [Ne]3(sp 3 ) 4 Ge: [Ar]3d 10 4s 2 4p 2 [Ar]3d 10 4(sp 3 ) 4 E 3(sp 3 ) 4 4N OM E = 1.1 ev 4(sp 3 ) 4 4N OM E = 0.7 ev 10
Semiconduttori Meccanismo di conduzione elettrica nei semiconduttori puri (INTRINSECI) Conducibilità aumenta all aumentare di T Conduzione di tipo n (elettroni) E (+) (-) - - - + + + Gap E 1.1 ev Si, 0.7 ev Ge Conduzione di tipo p (lacune) Irraggiamento (FOTOCONDUZIONE) Eccitazione termica (TERMOCONDUZIONE) 11
Proprietà magnetiche degli atomi Figura 5-30 apparecchiatura (bilancia magnetica) utilizzata per misurare il paramagnetismo di una sostanza. Le sostanze che contengono elettroni spaiati sono leggermente attratte da un campo magnetico e per questo sono dette paramagnetiche. Viceversa le sostanze con tutti gli elettroni accoppiati sono debolmente respinte da un campo magnetico e chiamate quindi diamagnetiche. Ferro, cobalto e nichel sono le uniche sostanze che presentano proprietà ferromagnetiche. Questa forma di interazione magnetica è molto forte rispetto al paramagnetismo; questo permette ad una sostanza di essere magnetizzata in 12 modo permanente, dopo essere stata immersa in un campo magnetico.
Distribuzione statistica della carica elettronica ATOMI ISOLATI La carica elettronica si sposta verso la zona intermedia tra i 2 nuclei; alcuni elettroni risentono dell attrazione di entrambi i nuclei. Trasferimento di elettroni da un atomo all altro in modo da formare uno ione positivo ed uno ione negativo, tra i quali nasce un attrazione elettrostatica. Parte della carica elettronica è distribuita uniformemente in tutto lo spazio attorno ai nuclei e risente dell attrazione di molti di essi (nella figura ne sono mostrati solo due). Legame covalente Legame ionico Legame metallico 13