Legatura metalica

Sl. dr. ing. Nicoleta Badea

Legatura metalica apare numai intre atomii metalelor in stare solida sau

lichida si se caracterizeaza prin libera circulatie a electronilor de valenta

in benzile de valenta.

În cristalul metalic atomii se află la distanţe mici unii de alţii, de aceea

orbitalii stratului de valenţă se intrepatrund nu mai aparţin unui atom sau

unei perechi de atomi, ci devin comuni tuturor atomilor, se contopesc

dând naştere unor orbitali extinşi pe tot cristalul metallic, formând

reţele metalice.

Metalele reprezintă 80 din cele 118 elemente cunoscute până în prezent.

Clasificarea metalelor după configuraţia electronică:

tipice, componente ale blocului sp - grupele principale ale

sistemului periodic;

tranziţionale componente ale blocurilor d şi f, - grupele secundare

ale sistemului periodic.

Banda 3s 3s1

2p6

2s2

1s2

E

(a) Atomi izolati de Na (b) Atomi de Na in cristalul

metalic

Exemplu: Structura electronică a atomului de Na este: 1s2 2s2 2p6 3s1

Fig. 1. Banda de valenţă a sodiului metalic

Totalitatea acestor niveluri de energie formează banda de valenţă.

Banda de valenţă comună determină coeziunea metalului.

Conform principiului excluderii a lui Pauli în stare fundamentală la 0 K

fiecare nivel energetic din banda de valenţă este ocupat de doi electroni.

Astfel, jumătate din banda de valenţă este ocupată de electroni, cealaltă

jumătate de energie mai înaltă fiind liberă. Zona de energie înaltă

neocupată se numeşte bandă de conducţie.

La temperaturi mai mari de 0 K electronii trec din banda de valenţă în

banda de conducţie, asigurând conducerea curentului electric în metal.

În cazul metalelor tranziţionale banda de valenţă este mai largă datorită

întrepătrunderea orbitalilor de tip d şi cei de tip s din stratul de valenţă.

Cu cât banda de valenţă este mai largă cu atât legătura metalică este

mai puternică între atomi, metalul este mai dur şi mai rezistent la solicitările

metalice.

Metalele al căror număr de legături metalice este mare, au raze atomice

mici, densităţi şi durităţi mari, temperaturi de topire şi de fierbere

ridicate, precum şi o rezistenţă remarcabilă la solicitările mecanice

exterioare.

Proprietăţile metalelor

stare de agregare – toate metalele sunt solide cu excepţia Hg care

este lichid;

densitatea metalelor variază în limite largi;

culoarea metalelor este variată. –

- albe metalic (Pb, Ag).

- galben-roşiatic: Cu;

- galben Au;

- culoare cenuşie-neagră - în pulbere fină;

Metal Li K Pt Os

[g/cm3] 0,53 0,86 21,45 22,5

temperatura de topire variază foarte mult de la metal la metal şi

este influenţată de volumul atomic.

Metal Hg K Na Cu Fe W

p.t. [o C] –39,0 63,5 97,8 1083 1536 3410

Diferenţa între punctele de topire a metalelor este folosită pentru

separarea metalelor între ele, la fabricarea aliajelor şi la prelucrarea

metalelor.

Densitate, duritatea si temperatura de topire cresc odata cu gradul de

ocupare al benzii de valenta.

proprietăţi electrice

- Conductibilitate electrică este mai mare în cazul metalelor în care banda

de valenţă este ocupată jumătate de electroni. Exemplu: grupa IA şi grupa

IB (Cu, Ag, Au).

Metalele alcalino pământoase (grupa II A) şi cele din grupa II (Zn, Cd, Hg)

conduc curentul electric mai slab decât cele din grupa IA şi IB datorită

faptului că au banda s complet ocupată de electroni.

Factorii care influenteaza proprietatile electrice si termice:

volumul atomilor;

lăţimea benzii de valenţă

Metalele tranziţionale sunt conductori mai buni decât metalele alcaline

datorită faptului că au volume mai mici, reţele mai compacte şi benzi de

valenţă largi conţinând mai mulţi electroni.

prezenţa impurităţilor în reţeaua metalică scade

conductivitatea electrica

Temperatura creşterea temperaturii conduce la

scăderea conductibilităţii electrice a metalelor

Aproape de zero absolut (-273°C), metalele îşi pierd complet rezistenţa

electrică şi devin conductori „ideali”. Acest fenomen se numeşte

supraconductibilitate.

Ex: Nb care are temperatura critica cea mai ridicata (Tc) = 9.3 K in timp ce

NbGe are Tc = 23,6 K.

proprietăţii termice - conductibilitatea termică a metalelor este

explicată datorită mişcării libere a electronilor, cât şi prin vibraţiile

atomilor.

proprietăţi optice - metalele prezintă luciu şi opacitate datorita

electronilor mobili din metal.

proprietăţi mecanice ale metalelor sunt: plasticitate, maleabilitate,

ductilitate, tenacitate, rezistenţă la compresiune şi tracţiune.

Plasticitatea este proprietatea metalelor (şi aliajelor) de a se deforma

permanent când sunt supuse unei tensiuni exercitate din exterior. Procesul

este ireversibil.

maleabilitatea unui metal este capacitatea lui de a fi tras în foi prin

comprimare la o temperatură inferioară punctului de topire. Sub acţiunea

forţelor exterioare, cristalele metalelor se deformează după anumite

planuri de reticulare.

Maleabilitatea depinde de temperatură, şi anume creşte până la o

anumită temperatură, după care scade şi metalele devin casante.

Aplicarea

forţei Aplicarea

forţei

În cursul solicitărilor mecanice, atomii nu pierd contactul unii cu alţii, îşi schimbă poziţia unul în raport cu altul, dar rămân legaţi prin benzile de valenţă, astfel încât reţeaua metalică nu este alterată.

Ductilitatea este proprietatea unui metal de a fi tras în fire; ea depinde de plasticitate şi de maleabilitate.

Tenacitatea este proprietatea unui metal de a cuprinde o energie mare de deformare plastică. Metalele care au tenacitate mare sunt rezistente, pe când cele cu tenacitate mică sunt casante.

proprietăţi magnetice: paramagnetism, diamagnetism şi feromagnetism.

Metalele feromagnetice (Fe, Co şi Ni) se magnetizează puternic, păstrând magnetismul şi după îndepărtarea câmpului magnetic inductor.

Metale paramagnetice au proprietăţi magnetice slabe, fără a păstra aceste proprietăţi după îndepărtarea câmpului magnetic inductor (majoritatea metalelor tranziţionale).

Metalele diamagnetice (Cu, Ag, Au, Sn, Pb, Pi) nu se magnetizează şi sunt respinse de câmpul magnetic.

În antiferomagnetism – electronii impari sunt orientaţi în direcţii care permit anularea momentelor magnetice individuale astfel încât momentul magnetic global este zero.

Solubilitatea - metalele sunt insolubile în solvenţi comuni. Se dizolvă

numai în alte metale topite formând aliaje. La solidificarea topiturii se

realizează legătura metalică între atomii unor metale diferite.

Proprietăţi chimice ale metalelor sunt: starea de oxidare şi caracterul

lor electrochimic.

Starea de oxidare (S.O) este o proprietate care variază în anumite limite în

funcţie de natura elementului considerat.

pentru elementele metalice de tip s şi p, S.O. este în general dată de

numărul grupei din care face parte elementul, şi cu puţine excepţii,

aceasta reprezintă unica valenţă a elementului respectiv;

pentru metalele tranziţionale de tip d, S.O. prezintă o gamă mult mai

mare de valori - cea maximă fiind dată de numărul grupei - ca o

consecinţă a particularităţilor structurii lor electronice.

Caracterul electrochimic al metalelor este o măsură directă a tendinţei

acestora de a forma ioni în soluţie, conform reacţiei:

M → Mz+ + ze−

Seria Volta

Li K Na Mg Al Zn Cr Fe Co Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au Pt

-3,01 -2,92 - 2,7 -2,38 -1,66 -0,76 -0,41 -0,44 -0,27 -0,23 -0,14 -0,13 0 +0,34 0,79 0,79 1,42

1. Cu cât metalul este aşezat mai mult la începutul seriei, cu atât este mai activ,

are capacitate de ionizare mai mare (M Mz+ + ze) şi se oxideaza mai usor.

2. Metalele care se găsesc la stanga hidrogenului il deplasează din apă şi din

soluţiile acizilor diluaţi, spre deosebire de metalele din dreapta hidrogenului

care nu inlocuiesc hidrogenul din aceste soluţii;

3. Metalele dispuse în dreapta hidrogenului (metale nobile) au o activitate

chimică redusă, se oxidează mai greu şi au o tendinţă mai mare de a trece

din starea de ioni în stare de atomi (Mz+ + ze M)

Tipuri de reţea Reţea Exemplu

Hexagonal

compactă

Be, Mg, Cr, Os;

Cubică cu feţe

centrate

Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au

Cubică centrată

intern

Cr, W, Mo

Majoritatea metalelor cristalizează în trei tipuri de reţea:

Legăturile metalice sunt nesaturate, nelocalizate şi nedirijate în spaţiu,

ceea ce ar explica plasticitatea metalelor.

Polimorfism - unele metale (Sn, Fe, Co, Ni, Mn, Fe cristalizează în mai

multe tipuri de reţele stabile pe anumite intervale de temperatura.

De exemplu Fe are trei forme polimorfe:

- retea cubica cu fete centrate, forma alfa stabila pana la 906o C;

- retea cubica centrata intern, forma gama stabila intre 906 - 1406o C;

- retea cubica cu fete centrate, forma delta stabila intre 1401 – 1536o C;

Aliajele se caracterizează:

• prin proprietăti calitativ superioare faţă de cele corespunzătoare

elementelor componente.

• duritatea şi rezistenţa aliajelor sunt mai mari decât ale metalelor

componente.

Aliajele sunt mai utilizate în tehnica modernă decât metalele în stare pură.

Cel mai simplu aliaj este soluţia solidă, care este de două tipuri de:

substituţie şi de inserţie.

Un aliaj format din doi componenţi A şi B, formează o soluţie solidă de

substituţie, dacă o parte din atomii A sunt înlocuiţi de atomii B (sau

invers) şi cele două tipuri de atomi sunt dispuşi într-o reţea cristalină

comună.

După felul cum atomii B înlocuiesc în mod ordonat sau întâmplător

atomii A se obţin soluţii solide de substituţie ordonate (fig. 2a) şi

dezordonate (fig. 2b).

Fig. 2. Soluţii solide de substituţie

Tip aliaj Compoziţie

Aur 14

carate

58% Au; 14- 28% Cu; 4-28 % Ag

Aur 18

carate

75% Au; 10-20 % Ag, 5-15% Cu

Bronzul 80 % Cu; 20 % Sn

Alamă 67- 90 % Cu; 10 -33 % Zn a b

B

A A B

Fig. 3 Soluţie solidă de inserţie.

Soluţiile solide de inserţie (interstiţiale) se formează atunci când atomii

dizolvaţi ocupă poziţii interstiţiale între atomii solventului (fig. 3).

Atomii elementului B ce se inserează în golurile reţelei elementului A

trebuie să aibă dimensiuni foarte mici: rB ≤ 0,59 rA. Din acest punct de

vedere hidrogenul, C, N şi B deci elemente cu raze atomice mici,

prezintă o importanţă practică deosebită, formând aliaje cu

proprietaţi mecanice deosebite.

Exemplu

carburi: TiC, W2C, NbC

Hidruri TiH2, CrH, CrH2; PdH

TiN, ZrN, TaN

Proprietatile compusilor interstitiali:

- inerti chimic;

- temperaturi de topire ridicate: 3030 oC - W2C, 3220 oC ZrN;

- supraconductori;

- duritati mari cuprinse intre 8-10 pe scara Mohs; B4C este compusul

cel mai dur- zgaraie diamantul