Caráter metálico

Origem atómica da tendência periódica

Ao longo de um período dos grupos principais, a atração nuclear efetiva aumenta e o raio atómico geralmente diminui, tornando os eletrões de valência mais difíceis de remover. O caráter metálico diminui, portanto, da esquerda para a direita. Ao descer num grupo, os eletrões exteriores ocupam camadas maiores e mais blindadas e são mais fáceis de remover, pelo que o caráter metálico geralmente aumenta.

Isto liga o caráter metálico à energia de ionização: uma baixa primeira energia de ionização acompanha frequentemente um forte comportamento eletropositivo. Os metais alcalinos são o exemplo mais claro; cada um possui um eletrão ns exterior a uma configuração de gás nobre e forma facilmente M⁺.

A ligação metálica não consiste simplesmente em «perder eletrões»

Num metal sólido, os eletrões de valência não são literalmente removidos da amostra. Tornam-se deslocalizados por muitos átomos e ocupam estados eletrónicos extensos. Os centros iónicos positivos e o sistema eletrónico partilhado formam o sólido metálico.

Esta distinção é importante. A energia de ionização descreve um átomo isolado em fase gasosa, enquanto a condutividade e a ligação metálica descrevem uma fase condensada formada por muitos átomos. As grandezas estão correlacionadas porque ambas dependem da ligação dos eletrões de valência, mas não são definições idênticas.

Metaloides e a fronteira difusa

A fronteira entre metal e não metal não é uma escada nítida da física fundamental. Elementos como Si, Ge, As e Sb apresentam comportamentos intermédios ou dependentes do contexto e são frequentemente chamados metaloides. As suas estruturas de bandas semicondutoras podem ser alteradas drasticamente pela temperatura e pela dopagem.

Metais de transição, estrutura e exceções

Os metais de transição permanecem metálicos ao longo do bloco d, embora as primeiras energias de ionização não sigam uma regra simples da esquerda para a direita. Bandas d parcialmente preenchidas fornecem numerosos estados eletrónicos e uma ligação metálica forte. Os seus estados de oxidação, magnetismo e comportamento catalítico dependem da ocupação dos eletrões d.

A estrutura cristalina, a pressão e a alotropia também podem alterar o comportamento metálico. Alguns elementos possuem diferentes fases sólidas com propriedades elétricas muito distintas. Sob pressão extrema, até elementos normalmente não metálicos podem aproximar-se de estados metálicos porque mudam a sobreposição orbital e as larguras das bandas.

Assim, a seta periódica prevê uma tendência química geral; a estrutura de bandas e a fase determinam o comportamento elétrico real de um material.

O período 3 mostra uma transição química, não apenas uma mudança de cor numa tabela

Na, Mg e Al são metais com sólidos metálicos e química relativamente eletropositiva. O silício é um semicondutor de rede covalente. Fósforo, enxofre, cloro e árgon são substâncias não metálicas, moleculares ou atómicas, em condições normais. A mudança ao longo do período é, portanto, visível na ligação, na condutividade e nas estruturas dos sólidos elementares.

Os seus óxidos também mudam. Na₂O e MgO são óxidos iónicos fortemente básicos; Al₂O₃ é anfotérico; SiO₂ é um óxido ácido de rede covalente; os óxidos superiores de fósforo, enxofre e cloro são moleculares/covalentes e formam soluções ácidas ou ácidos por hidratação. A mudança no caráter dos óxidos é uma das manifestações químicas mais claras da diminuição do caráter metálico.

As propriedades metálicas são tendências, não uma lista que todos os metais tenham de cumprir

O mercúrio é líquido à temperatura ambiente; o gálio derrete na mão; alguns metais são frágeis; a condutividade varia por várias ordens de grandeza. Um material não deixa de ser metálico por não possuir uma propriedade familiar dos manuais, como um ponto de fusão elevado ou grande dureza mecânica.

A classificação mais profunda vem da estrutura eletrónica e da ligação: bandas parcialmente preenchidas ou bandas de valência e condução sobrepostas fornecem portadores móveis e coesão metálica.

A pressão pode alterar a classificação

Comprimir a matéria altera a sobreposição orbital. A pressão suficientemente elevada, os hiatos de banda podem fechar e um material isolante à pressão ambiente pode tornar-se metálico. O hidrogénio é o famoso caso limite: a teoria prevê estados metálicos sob compressão extrema porque os eletrões se tornam deslocalizados através de uma rede densa.

Isto não altera a tendência periódica normal; mostra que o «caráter metálico» é simultaneamente uma tendência atómica e uma propriedade de um elemento num determinado estado estrutural e termodinâmico.

Caráter metálico e eletropositividade estão relacionados, mas não são idênticos

A eletropositividade descreve a tendência de um átomo para ceder densidade eletrónica ou formar um ião positivo. O caráter metálico inclui essa tendência, mas também as propriedades coletivas do sólido elemental. O césio é muito eletropositivo, enquanto um metal de transição como o cobre combina um comportamento de ionização menos extremo com excelente condutividade elétrica devido à sua estrutura de bandas.

Usar ambas as ideias evita um atalho comum: o elemento «mais metálico» não é determinado por um único número. Ionização atómica, ligação, estrutura cristalina e bandas eletrónicas descrevem diferentes níveis do fenómeno.

Exercícios

Na ou Mg?

Qual é geralmente mais metálico no período 3?

Li ou Cs?

Qual é mais metálico no grupo 1?

Ionização versus condução

Porque é que a primeira energia de ionização, por si só, não é uma medida completa da condutividade elétrica?