Legătura metalică

În metale, ionii pozitivi ocupă poziții ordonate într-o rețea, iar electronii de valență sunt delocalizați: acesta este modelul gazului electronic sau al norului de electroni. Atracția dintre ioni și electroni constituie legătura metalică. Electronii mobili asigură conductivitatea electrică și termică și contribuie la luciul metalic. Metalele sunt maleabile și ductile: straturile de ioni pozitivi alunecă pe lângă straturile vecine, iar electronii delocalizați mențin legătura. Cuprul se folosește la conductori electrici; aluminiul, la conductori și structuri ușoare.

Numărul electronilor delocalizați rezultă din configurația electronică: fiecare atom metalic cedează gazului electronic electronii de valență. Sodiul ($3s^1$) cedează unul, magneziul ($3s^2$) doi, aluminiul ($3s^{2}3p^1$) trei.

Exemplu rezolvat 1: electronii delocalizați dintr-o probă. Comparăm $2,3$ g Na, $2,4$ g Mg și $2,7$ g Al, cu $A_{\mathrm{Na}}=23$, $A_{\mathrm{Mg}}=24$, $A_{\mathrm{Al}}=27$.

1. Cantitatea de substanță $n=m/A$ este $0,10$ mol pentru fiecare probă.
2. Electronii delocalizați sunt $0,10\cdot 1=0,10$ mol (Na), $0,10\cdot 2=0,20$ mol (Mg) și $0,10\cdot 3=0,30$ mol (Al).
3. Numărul lor, $N=n\cdot N_A$, este $6,022\cdot 10^{22}$, $1,204\cdot 10^{23}$, respectiv $1,807\cdot 10^{23}$ electroni.

Fiecare probă conține tot atâtea sarcini pozitive ($\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$, $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$) cât sarcini negative ale electronilor, deci o bucată de metal este neutră electric.

Exemplu rezolvat 2: puterea legăturii metalice. Sodiul se topește la $97,8{}^{\circ }\mathrm{C}$, magneziul la $650{}^{\circ }\mathrm{C}$, aluminiul la $660{}^{\circ }\mathrm{C}$. Explicația se construiește în pași:

1. Sodiul pune în comun un electron pe atom, iar ionii lui au sarcina $+1$.
2. Magneziul pune în comun doi electroni pe atom, iar ionii au sarcina $+2$ și sunt mai mici.
3. Atracția dintre ioni și gazul electronic crește cu sarcina ionilor și cu densitatea electronilor delocalizați.
4. Legătura metalică din magneziu este mai puternică, deci temperatura de topire și densitatea ($1,74$ g/$\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$ față de $0,97$ g/$\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$) sunt mai mari; aluminiul, cu trei electroni pe atom, se topește la o temperatură apropiată de a magneziului.

Din același motiv sodiul se taie cu cuțitul, iar aluminiul nu.

Exemplu rezolvat 3: curentul printr-un fir. Un fir de cupru este străbătut timp de o oră de un curent de $1$ A.

1. Sarcina transportată este $Q=I\cdot t=1\cdot 3600=3600$ C.
2. Sarcina unui electron este $e=1,6\cdot 10^{-19}$ C, deci numărul electronilor care trec prin secțiunea firului este $N=Q/e=3600/(1,6\cdot 10^{-19})\approx 2,25\cdot 10^{22}$.
3. Cantitatea lor este $n=N/N_A=2,25\cdot 10^{22}/(6,022\cdot 10^{23})\approx 0,037$ mol.

Masa firului rămâne constantă, fiindcă ionii metalici nu părăsesc rețeaua; prin fir se deplasează numai electronii. Într-o soluție de electrolit aceeași sarcină este transportată de ioni.

Date de reținut. Electronii delocalizați preiau energia din zona încălzită și o transmit repede în restul probei, de aceea o lingură metalică lăsată în supă fierbinte se încălzește în tot corpul ei. Suprafața lucioasă reflectă lumina vizibilă. Cea mai bună conductoare electrică este argintul, urmat de cupru, aur și aluminiu. Cuprul se folosește la fire, iar aluminiul, care are densitate mică, la liniile de înaltă tensiune. Mercurul este lichid la temperatura camerei (se topește la $-39{}^{\circ }\mathrm{C}$), iar wolframul se topește la $3422{}^{\circ }\mathrm{C}$. La încălzire, vibrația ionilor din rețea crește și frânează electronii, deci rezistența electrică a unui metal crește.

Comparație cu un cristal ionic. Dacă planele de ioni dintr-o foaie de cupru alunecă, electronii delocalizați rămân între ele și atracția se păstrează, deci foaia se subțiază fără să se rupă. La alunecarea planelor dintr-un cristal de $\mathrm{NaCl}$, ioni de același semn ajung față în față; respingerea sparge cristalul.

Greșeli frecvente

• Greșit: Cuprul conduce curentul prin deplasarea atomilor întregi de cupru.
  Corect: purtătorii mobili sunt electronii delocalizați, iar ionii rămân în rețea.
• Greșit: Un cristal uscat de $\mathrm{NaCl}$ conduce ca o bucată de metal.
  Corect: ionii cristalului ionic sunt fixați în rețea și nu conduc curentul în stare solidă.
• Greșit: O bucată de metal este încărcată pozitiv, deoarece este formată din ioni pozitivi.
  Corect: sarcina ionilor este compensată exact de electronii delocalizați, deci metalul este neutru.
• Greșit: La încălzire un metal conduce mai bine curentul, fiindcă electronii se mișcă mai repede.
  Corect: vibrația mai puternică a ionilor din rețea frânează electronii și rezistența electrică crește.
• Greșit: Toate metalele sunt solide cu temperatură de topire ridicată.
  Corect: mercurul este lichid la $20{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar sodiul se topește la $97,8{}^{\circ }\mathrm{C}$.

Înainte și după