Legami metallici

L'oro si può battere in fogli così sottili che la luce li attraversa. I legami metallici si piegano invece di rompersi.

Un filo di rame porta l'elettricità in casa, una padella di alluminio distribuisce il calore su tutto il fondo e una graffetta d'acciaio si piega senza spezzarsi. Questi fatti quotidiani dipendono dal modo in cui gli atomi di metallo si legano tra loro. Non è il trasferimento del legame ionico né la condivisione a coppie del legame covalente, ma una terza disposizione in cui gli elettroni esterni appartengono a tutto il pezzo di metallo insieme.

Un mare di elettroni

Gli atomi di metallo hanno pochi elettroni esterni, trattenuti debolmente, e bassa elettronegatività. Quando molti atomi di metallo si impacchettano, quegli elettroni esterni non sono più legati a un singolo atomo. Si muovono tra tutti gli atomi, e ciò che resta è una disposizione regolare di ioni metallici positivi immersi in una nuvola comune di elettroni negativi. L'attrazione tra gli ioni e la nuvola di elettroni è il legame metallico. I chimici chiamano spesso la nuvola mare di elettroni, e gli elettroni delocalizzati, cioè non fissati in un punto.

Che cosa spiega il mare di elettroni

La prima cosa è la conducibilità. Collega una pila a un filo di rame e gli elettroni liberi si spostano verso il polo positivo: è una corrente elettrica. Gli stessi elettroni mobili portano rapidamente il calore da una parte calda del metallo a una fredda. Un'altra è la lucentezza: gli elettroni liberi assorbono e riemettono la luce in superficie, e questo dà ai metalli il loro aspetto a specchio.

La malleabilità è la più utile. In un cristallo ionico, se uno strato scivola, cariche uguali si trovano faccia a faccia e il cristallo va in frantumi. In un metallo, quando gli strati di ioni scivolano l'uno sull'altro, il mare di elettroni semplicemente scorre intorno a loro e continua a tenere tutto insieme. Ecco perché i metalli si possono martellare in lamine (malleabili) e tirare in fili (duttili). L'oro è il caso estremo e si può battere in fogli così sottili che la luce li attraversa.

Forte, ma non ugualmente forte

La forza del legame metallico varia molto, e i punti di fusione lo mostrano. Il tungsteno, con molti elettroni nel mare, fonde a 3695 K, circa 3422 °C, ed è per questo che si usava per i filamenti delle lampadine. Il mercurio fonde a circa −39 °C ed è liquido sul davanzale. Il gallio fonde a circa 29.8 °C, quindi un pezzetto può sciogliersi in mano. Sodio e potassio, metalli del gruppo 1 con un solo elettrone esterno ciascuno, sono così teneri che si tagliano con un coltello e fondono sotto i 100 °C (il sodio a circa 98 °C, il potassio a circa 63 °C).

Poiché al mare di elettroni non importa esattamente quali ioni circonda, i metalli si mescolano facilmente formando leghe. L'acciaio è ferro con una piccola quantità di carbonio. Il bronzo è rame con stagno, e l'ottone è rame con zinco. Gli atomi di dimensioni diverse rendono più difficile lo scorrimento degli strati, quindi le leghe sono di solito più dure e resistenti dei metalli puri di cui sono fatte.

Il legame metallico spiega anche dove stanno i metalli nella tavola periodica. Gli atomi con pochi elettroni esterni e bassa elettronegatività, a sinistra e al centro, cedono quegli elettroni a un mare comune quando si impacchettano. I non metalli a destra trattengono i loro elettroni troppo forte per farlo, quindi si legano condividendoli a coppie. I semimetalli lungo la scaletta stanno nel mezzo: il silicio trattiene i suoi elettroni abbastanza forte da essere un cattivo conduttore, ma abbastanza debolmente perché calore, luce o una piccola impurità aggiunta ne liberino alcuni, ed è così che funziona un semiconduttore.