Carattere metallico
Il carattere metallico descrive quanto un elemento mostra il comportamento chimico e fisico associato ai metalli: facile perdita o delocalizzazione degli elettroni, conduzione elettrica e termica, legame metallico e spesso malleabilità e lucentezza. L’andamento periodico è utile, ma «metallico» è un concetto più ricco di un singolo numero riferito a un atomo isolato.
Origine atomica dell’andamento periodico
Lungo un periodo dei gruppi principali aumenta l’attrazione nucleare efficace e il raggio atomico in genere diminuisce, perciò diventa più difficile rimuovere gli elettroni di valenza. Il carattere metallico diminuisce quindi da sinistra a destra. Scendendo in un gruppo, gli elettroni esterni occupano livelli più grandi e più schermati e si rimuovono più facilmente; il carattere metallico tende quindi ad aumentare.
Questo collega il carattere metallico all’energia di ionizzazione: una bassa prima energia di ionizzazione accompagna spesso un forte comportamento elettropositivo. I metalli alcalini sono l’esempio più chiaro; ciascuno possiede un elettrone ns esterno a una configurazione di gas nobile e forma facilmente M⁺.
Il legame metallico non consiste semplicemente nel «perdere elettroni»
In un metallo solido, gli elettroni di valenza non vengono letteralmente rimossi dal campione. Diventano delocalizzati su molti atomi e occupano stati elettronici estesi. I nuclei ionici positivi e il sistema elettronico condiviso formano il solido metallico.
Questa distinzione è importante. L’energia di ionizzazione descrive un atomo isolato in fase gassosa, mentre conducibilità e legame metallico descrivono una fase condensata costituita da molti atomi. Le grandezze sono correlate perché entrambe dipendono dal legame degli elettroni di valenza, ma non sono definizioni identiche.
Metalloidi e confine sfumato
Il confine tra metallo e non metallo non è una scala netta imposta dalla fisica fondamentale. Elementi come Si, Ge, As e Sb mostrano comportamenti intermedi o dipendenti dal contesto e sono spesso chiamati metalloidi. Le loro strutture a bande semiconduttrici possono essere modificate fortemente dalla temperatura e dal drogaggio.
Metallo tipico
Buon conduttore; elettroni di valenza relativamente delocalizzati; forma spesso cationi e solidi metallici.
Non metallo tipico
Elettroni di valenza più localizzati; spesso legami covalenti molecolari o reticolari oppure formazione di anioni.
Metalloide
Struttura elettronica intermedia; spesso comportamento semiconduttore invece di semplice conduzione metallica.
Metalli di transizione, struttura ed eccezioni
I metalli di transizione restano metallici lungo tutto il blocco d anche se le prime energie di ionizzazione non seguono una semplice regola da sinistra a destra. Le bande d parzialmente occupate offrono numerosi stati elettronici e un forte legame metallico. Stati di ossidazione, magnetismo e comportamento catalitico dipendono dall’occupazione degli elettroni d.
Anche struttura cristallina, pressione e allotropia possono modificare il comportamento metallico. Alcuni elementi possiedono diverse fasi solide con proprietà elettriche molto differenti. A pressioni estreme, persino elementi normalmente non metallici possono avvicinarsi a stati metallici perché cambiano la sovrapposizione degli orbitali e la larghezza delle bande.
La freccia periodica prevede quindi una tendenza chimica generale; struttura a bande e fase determinano il comportamento elettrico reale di un materiale.
Il periodo 3 mostra una transizione chimica, non soltanto un cambio di colore in una tabella
Na, Mg e Al sono metalli con solidi metallici e una chimica relativamente elettropositiva. Il silicio è un semiconduttore a reticolo covalente. Fosforo, zolfo, cloro e argon sono sostanze non metalliche, molecolari o atomiche, in condizioni ordinarie. Il passaggio lungo il periodo è quindi visibile nel legame, nella conducibilità e nelle strutture dei solidi elementari.
Cambiano anche i loro ossidi. Na₂O e MgO sono ossidi ionici fortemente basici; Al₂O₃ è anfotero; SiO₂ è un ossido acido a reticolo covalente; gli ossidi più elevati di fosforo, zolfo e cloro sono molecolari/covalenti e formano soluzioni acide o acidi per idratazione. La variazione del carattere degli ossidi è una delle manifestazioni chimiche più chiare della diminuzione del carattere metallico.
Le proprietà metalliche sono tendenze, non una lista che ogni metallo deve rispettare
Il mercurio è liquido a temperatura ambiente; il gallio fonde nella mano; alcuni metalli sono fragili; la conducibilità varia di molti ordini di grandezza. Un materiale non smette di essere metallico perché non possiede una proprietà tipica dei manuali, come un alto punto di fusione o un’elevata durezza meccanica.
La classificazione più profonda deriva dalla struttura elettronica e dal legame: bande parzialmente occupate oppure bande di valenza e conduzione sovrapposte forniscono portatori mobili e coesione metallica.
La pressione può cambiare la classificazione
Comprimere la materia modifica la sovrapposizione degli orbitali. A pressione sufficientemente elevata, i gap di banda possono chiudersi e un materiale isolante a pressione ambiente può diventare metallico. L’idrogeno è il famoso caso limite: la teoria prevede stati metallici a compressione estrema perché gli elettroni diventano delocalizzati attraverso un reticolo denso.
Questo non modifica il normale andamento periodico; mostra che il «carattere metallico» è sia una tendenza atomica sia una proprietà dell’elemento in un determinato stato strutturale e termodinamico.
Carattere metallico ed elettropositività sono collegati ma non identici
L’elettropositività descrive la tendenza di un atomo a cedere densità elettronica o a formare uno ione positivo. Il carattere metallico comprende questa tendenza ma anche le proprietà collettive del solido elementare. Il cesio è fortemente elettropositivo, mentre un metallo di transizione come il rame combina un comportamento di ionizzazione meno estremo con un’eccellente conducibilità elettrica grazie alla sua struttura a bande.
Usare entrambi i concetti evita una scorciatoia comune: l’elemento «più metallico» non è determinato da un solo numero. Ionizzazione atomica, legame, struttura cristallina e bande elettroniche descrivono livelli diversi del fenomeno.
Esercizi
Na o Mg?
Quale è generalmente più metallico nel periodo 3?
Soluzione
Na. Il suo elettrone di valenza è più facile da rimuovere e il suo raggio atomico è maggiore.
Li o Cs?
Quale è più metallico nel gruppo 1?
Soluzione
Cs secondo l’andamento generale del gruppo: il suo elettrone esterno è più lontano dal nucleo e più schermato.
Ionizzazione e conduzione
Perché la prima energia di ionizzazione, da sola, non è una misura completa della conducibilità elettrica?
Soluzione
L’energia di ionizzazione riguarda un atomo isolato. La conducibilità dipende dalla struttura a bande e dagli stati dei portatori nel solido, che è una proprietà collettiva di molti atomi.